JP7736733B2 - ３次元積層造形装置及び３次元積層造形装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元積層造形装置及び３次元積層造形装置の制御方法に関する。

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。

従来の３次元積層造形装置の造形方法としては、例えばステージの上面に設置されたベースプレート上に粉末材料を一層毎に敷き詰める。次に、ベースプレート上に敷き詰められた粉末材料に対し、造形物の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームやレーザからなる加熱機構で溶融する。そして、そのような粉末材料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している（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献１には、電子ビームを粉末材料に照射した際に発生する反射電子を検出する検出部を設け、この検出部が検出した情報に基づいて、造形物の状態を判定する技術が記載されている。

特開２０２１－４２４１０号公報

また、造形工程時の判定要素としては、造形物の凹凸や輪郭等の複数の判定要素がある。しかしながら、特許文献１に記載された技術では、検出部が検出した反射電子信号に対して一つの演算式で演算処理を行っていたため、得られる反射電子画像は一種類だけであった。そのため、特許文献１に記載された技術では、反射電子信号を用いた判定処理が限定されていた。さらに、画像認識が困難な画像を用いて判定処理を行うことになり、判定精度が低下する、という問題を有していた。

本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、反射電子信号を用いた造形工程時の判定精度を向上させることができると共に反射電子信号の用途を拡大することができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形装置の制御方法を提供することにある。

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、造形プレートと、造形プレートに粉末材料を供給し、粉末層を形成する粉末供給装置と、粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、を備えている。また、３次元積層造形装置は、電子ビームが粉末材料に照射した際に発生する反射電子を検出する複数の検出部と、複数の検出部が検出した複数の反射電子信号を取得し、複数の反射電子信号に対して演算処理を行い、演算信号を演算する制御部と、を備えている。
制御部は、複数の演算式を有している。そして、制御部は、造形工程に応じて複数の演算式から所定の演算式を選択し、選択した演算式を用いて、複数の反射電子信号に対して演算処理を行い、演算信号を演算する。

また、本発明の３次元積層造形装置の制御方法は、上述した構成を有する３次元積層造形装置に用いられる制御方法である。そして、制御部は、造形工程に応じて複数の演算式から所定の演算式を選択し、選択した演算式を用いて、複数の前記反射電子信号に対して演算処理を行い、演算信号を演算する。

本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形装置の制御方法によれば、反射電子信号を用いた造形工程時の判定精度を向上させることができると共に反射電子信号の用途を拡大することができる。

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概略断面図である。 本発明の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における検出部の位置を示す平面図である。 パウダーヒート後に取得される反射電子画像の一例を示すものである。 パウダーヒート後に取得される反射電子画像であり、適切に粉末材料が敷き詰められなかった例を示している。 本溶融後に取得される反射電子画像であり、粉末材料が溶融された例を示している。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における検出部の位置を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における検出部の位置を示す平面図である。

以下、本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形装置の制御方法の実施の形態例について、図１～図８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。

１．第１の実施の形態例
１－１．３次元積層造形装置の構成
まず、本発明の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）にかかる３次元積層造形装置の第１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概略断面図である。以降の説明では、３次元積層造形装置の各部の形状や位置関係などを明確にするために、図１の左右方向をＸ方向、図１の奥行き方向をＹ方向、図１の上下方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する方向である。また、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は鉛直方向に平行な方向である。

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。

図１に示すように、３次元積層造形装置１は、真空チャンバー３と、ビーム照射装置２と、粉末供給装置１６と、造形テーブル１８と、造形ボックス２０と、回収ボックス２１と、を備えている。また、３次元積層造形装置１は、造形プレート２２と、インナーベース２４と、プレート移動装置２６と、輻射シールドカバー２８と、マスクカバー３０と、カメラ４２と、シャッター４４と、を備えている。さらに、３次元積層造形装置１は、反射電子を検出する複数の検出部４６を備えている。

真空チャンバー３は、図示しない真空ポンプによってチャンバー内の空気を排気することにより、真空状態を作り出すためのチャンバーである。

ビーム照射装置２は、造形プレート２２または粉末材料３２で形成される粉末層の造形面３２ａに電子ビーム１５を照射する装置である。造形面３２ａは、粉末層の上面に相当する。粉末層の状態は、３次元積層造形の工程が進むに従って変化する。ビーム照射装置２は、図示はしないが、電子ビーム１５の発生源となる電子銃と、電子銃が発生した電子ビームを集束させる集束レンズと、集束レンズで集束させた電子ビーム１５を偏向する偏向レンズと、を有している。集束レンズは集束コイルを用いて構成され、集束コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を集束させる。偏向レンズは偏向コイルを用いて構成され、偏向コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を偏向する。

粉末供給装置１６は、造形物３８の原材料となる粉末材料の一例として、粉末材料３２を造形プレート２２上に供給して粉末層を形成する装置である。粉末供給装置１６は、ホッパー１６ａと、粉末投下器１６ｂと、スキージ１６ｃとを有している。ホッパー１６ａは、金属粉末を貯蔵するための容器である。粉末投下器１６ｂは、ホッパー１６ａに貯蔵されている粉末材料３２を造形テーブル１８上に投下する機器である。スキージ１６ｃは、Ｙ方向に長い長尺状の部材であり、粉末敷き詰め用のブレード１６ｄを有している。スキージ１６ｃは、粉末投下器１６ｂによって投下された粉末材料３２を造形テーブル１８上に敷き詰める。スキージ１６ｃは、造形テーブル１８の全面に粉末材料３２を敷き詰めるために、Ｘ方向に移動可能に設けられている。

造形テーブル１８は、真空チャンバー３の内部に水平に配置されている。造形テーブル１８は、粉末供給装置１６よりも下方に配置されている。造形テーブル１８の中央部は開口している。造形テーブル１８の開口形状は、平面視円形または平面視角形（たとえば、平面視四角形）である。

造形ボックス２０は、造形用の空間を形成するボックスである。造形ボックス２０の上端部は、造形テーブル１８の開口縁に接続されている。造形ボックス２０の下端部は、真空チャンバー３の底壁に接続されている。

回収ボックス２１は、粉末供給装置１６によって造形テーブル１８上に供給された粉末材料３２のうち、必要以上に供給された粉末材料３２を回収するボックスである。

造形プレート２２は、粉末材料３２を用いて造形物３８を形成するためのプレートである。造形物３８は、造形プレート２２上に積層して形成される。造形プレート２２は、造形テーブル１８の開口形状に合わせて平面視円形または平面視角形に形成される。造形プレート２２は、電気的に浮いた状態とならないよう、アース線３４によってインナーベース２４に接続（接地）されている。インナーベース２４は、ＧＮＤ（グランド）電位に保持されている。造形プレート２２およびインナーベース２４の上には粉末材料３２が敷き詰められる。

インナーベース２４は、上下方向（Ｚ方向）に移動可能に設けられている。造形プレート２２は、インナーベース２４と一体に上下方向に移動する。インナーベース２４は、造形プレート２２よりも大きな外形寸法を有する。インナーベース２４は、造形ボックス２０の内側面に沿って上下方向に摺動する。インナーベース２４の外周部にはシール部材３６が取り付けられている。シール部材３６は、インナーベース２４の外周部と造形ボックス２０の内側面との間で、摺動性および密閉性を保持する部材である。シール部材３６は、耐熱性および弾力性を有する材料によって構成される。

プレート移動装置２６は、造形プレート２２およびインナーベース２４を上下方向に移動させる装置である。プレート移動装置２６は、シャフト２６ａと、駆動機構部２６ｂとを備えている。シャフト２６ａは、インナーベース２４の下面に接続されている。駆動機構部２６ｂは、図示しないモータと動力伝達機構とを備え、モータを駆動源として動力伝達機構を駆動することにより、造形プレート２２およびインナーベース２４をシャフト２６ａと一体に上下方向に移動させる。動力伝達機構は、たとえば、ラックアンドピニオン機構、ボールネジ機構などによって構成される。

輻射シールドカバー２８は、Ｚ方向において、造形プレート２２とビーム照射装置２との間に配置されている。輻射シールドカバー２８は、ステンレス鋼などの金属によって構成される。輻射シールドカバー２８は、ビーム照射装置２によって粉末材料３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する輻射熱をシールドする。粉末材料３２を本焼結させるために粉末材料３２に電子ビーム１５を照射すると粉末材料３２が溶融するが、このとき粉末層の造形面３２ａから放射される熱、すなわち輻射熱が真空チャンバー３内に広く拡散すると熱効率が悪くなる。これに対し、造形プレート２２の上方に輻射シールドカバー２８を配置した場合は、造形面３２ａから放射される熱が輻射シールドカバー２８によってシールドされるとともに、シールドされた熱が輻射シールドカバー２８により反射されて造形プレート２２側に戻される。このため、電子ビーム１５の照射によって発生する熱を効率良く利用することができる。

また、輻射シールドカバー２８は、粉末材料３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する蒸発物質が真空チャンバー３の内壁に付着（蒸着）することを抑制する機能を果たす。粉末材料３２に電子ビーム１５を照射すると、溶融した金属の一部が霧状の蒸発物質となって造形面３２ａから立ち昇る。輻射シールドカバー２８は、この蒸発物質が真空チャンバー３内に拡散しないよう、造形面３２ａの上方空間を覆うように配置されている。

マスクカバー３０は、開口部３０ａおよびマスク部３０ｂを有する。マスクカバー３０は、造形物３８を形成するにあたって、粉末材料３２の上面、すなわち造形面３２ａに被せて配置される。その際、開口部３０ａは、造形プレート２２上に敷き詰められる粉末材料３２を露出させ、マスク部３０ｂは、開口部３０ａよりも外側に位置する粉末材料３２を遮蔽する。開口部３０ａの形状は、造形プレート２２の形状にあわせて設定される。たとえば、造形プレート２２が平面視円形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は円形に設定され、造形プレート２２が平面視角形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は角形に設定される。

マスクカバー３０は、輻射シールドカバー２８の下方に配置されている。マスクカバー３０の開口部３０ａおよびマスク部３０ｂは、Ｚ方向において、造形プレート２２と輻射シールドカバー２８との間に配置されている。マスクカバー３０は囲い部３０ｃを有する。囲い部３０ｃは、開口部３０ａの上方空間を囲うように配置される。囲い部３０ｃの一部（上部）は、Ｚ方向において輻射シールドカバー２８とオーバーラップしている。囲い部３０ｃは、造形面３２ａから発生する輻射熱をシールドする機能と、造形面３２ａから発生する蒸発物質の拡散を抑制する機能とを果たす。つまり、囲い部３０ｃは、輻射シールドカバー２８と同様の機能を果たす。

マスクカバー３０は、造形物３８の原料として使用する粉末材料３２よりも融点が高い金属で構成される。また、マスクカバー３０は、粉末材料３２との反応性が低い材料によって構成される。マスクカバー３０の構成材料としては、たとえばチタンを挙げることができる。また、マスクカバー３０は、使用する粉末材料３２と同じ材質の金属によって構成してもよい。マスクカバー３０は、電気的にＧＮＤに接地されている。マスクカバー３０は、後述する本焼結工程前の予備加熱工程において、電子ビーム１５の照射により粉末材料３２を仮焼結させる場合に、電気的なシールド機能を果たすことにより、粉末飛散の発生を小規模に抑える。

カメラ４２は、粉末層の造形面３２ａを撮影可能なカメラである。カメラ４２は、ビーム照射装置２と位置が干渉しないよう、ビーム照射装置２とはＹ方向に位置をずらして配置されている。カメラ４２は、たとえばデジタルビデオカメラなどの可視光カメラによって構成することが好ましい。カメラ４２は、粉末層の造形面３２ａを撮影して粉末層の画像（画像データ）を生成する。このため、カメラ４２が生成する画像は、粉末層の造形面３２ａの状態を示す画像になる。カメラ４２による撮影は、３次元積層造形装置１が備える照明光源（図示せず）が発する照明光を粉末層の造形面３２ａに当てた状態で行われる。

シャッター４４は、電子ビーム１５の照射によって粉末材料３２を溶融させる際に造形面３２ａから発生する蒸発物質がカメラ４２や観察窓に付着しないよう、カメラ４２や観察窓を保護するものである。カメラ４２による造形面３２ａの撮影は、シャッター４４を開けた状態で行われる。また、蒸発物質が発生しやすい工程や、蒸発物質の発生量が多い工程、すなわち、粉末材料３２を電子ビーム１５で溶融する際は、シャッター４４を閉じた状態で行われる。

反射電子を検出する複数の検出部４６は、ビーム照射装置２の下方に配置されている。具体的には、検出部４６は、ビーム照射装置２と造形プレート２２に形成される造形物３８の造形面３２ａの間に配置される。

図３は、検出部４６の位置を示す平面図である。
図３に示すように、複数の検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄは、造形物３８及び造形プレート２２の周囲を囲むようにして配置される。第１検出部４６ａは、造形物３８のＸ方向の一側に配置され、第２検出部４６ｂは、造形物３８のＸ方向の他側に配置される。そして、第１検出部４６ａと第２検出部４６ｂは、造形物３８を間に挟んで対向している。第３検出部４６ｃは、造形物３８のＹ方向の一側に配置され、第４検出部４６ｄは、造形物３８のＹ方向の他側に配置される。そして、第３検出部４６ｃと第４検出部４６ｄは、造形物３８を間に挟んで対向している。

検出部４６としては、半導体検出器等に限定されるものではなく、電子励起による２次電子放出率の小さいＴｉ製電極等でもよい。また、検出部４６としては、電極に入射する反射電子を電流検出アンプで電流として検出し、その増減を検出してもよい。

図２は、本例の３次元積層造形装置１の制御系の構成例を示すブロック図である。
図２に示すように、３次元積層造形装置１は、電子ビーム制御部を示す偏光アンプ制御回路１０１と、アナログ-デジタル変換回路（ＡＤＣ）１０２と、プリアンプ（Ｐｒｅ－ＡＭＰ）１０３と、制御部の一例を示すパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０４と、表示部１０５とを有している。

偏光アンプ制御回路１０１は、ビーム照射装置２及びＰＣ１０４に接続されている。そして、偏光アンプ制御回路１０１は、設定されたビーム走査情報に基づいて、ビーム照射装置２を制御する。これにより、ビーム照射装置２は、所定の位置に電子ビーム１５を照射する。また、偏光アンプ制御回路１０１は、電子ビーム１５の照射位置を示すビーム照射位置情報をＰＣ１０４に送信する。

Ｐｒｅ－ＡＭＰ１０３は、検出部４６及びＡＤＣ１０２に接続されている。そして、Ｐｒｅ－ＡＭＰ１０３は、検出部４６が検出した反射電子電流を電流信号から電圧信号に変換する。Ｐｒｅ－ＡＭＰ１０３で変換された電圧信号は、ＡＤＣ１０２に送信される。ＡＤＣ１０２は、電圧信号となった反射電子信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してＰＣ１０４に送信する。

ＰＣ１０４は、不図示の画像処理部と、記憶部と、を有している。また、ＰＣ１０４の画像処理部は、カメラ４２が生成する画像を取り込むとともに、取り込んだ画像に所定の画像処理を施す。そして、ＰＣ１０４は、画像処理部で画像処理を行ったカメラ画像を表示部１０５に出力する。

記憶部には、画像処理部で生成されたカメラ画像が記憶される。さらに、記憶部には、偏光アンプ制御回路１０１から送信されたビーム照射位置情報が記憶される。また、記憶部には、複数の検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄから取得した反射電子信号に対して演算処理を行うための複数の演算式が記憶されている。

ＰＣ１０４は、造形工程に応じて複数の演算式から所定の演算式を選択する。そして、ＰＣ１０４は、選択した演算式を用いて、反射電子信号に対して演算処理を行い、演算信号を演算する。そして、画像処理部は、演算信号を画像化して反射電子画像（ＢＳＥ像）を取得する。ＰＣ１０４は、取得した反射電子画像（ＢＳＥ像）を表示部１０５に出力する。また、記憶部には、反射電子画像（ＢＳＥ像）が記憶される。

表示部１０５は、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）又は有機ＥＬＤ（Electro Luminescence Display）等のディスプレイにより構成されている。表示部１０５は、ＰＣ１０４から出力されたＢＳＥ像及びカメラ画像を表示画面１０６（図４等参照）に表示する。

１－２．３次元積層造形装置の動作例
次に、上述した構成を有する３次元積層造形装置１の動作例について図４から図７を参照して説明する。

まず、ビーム照射装置２は、ＰＣ１０４から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を加熱する。ビーム照射装置２は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形プレート２２に電子ビーム１５を照射するとともに、造形プレート２２上で電子ビーム１５を走査する。これにより、造形プレート２２は、粉末材料３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。

次に、造形プレート２２上に粉末材料３２を敷き詰める。プレート移動装置２６は、ＰＣ１０４から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量だけ下降させる。プレート移動装置２６は、造形テーブル１８上に敷き詰められた粉末材料３２の上面よりも造形プレート２２の上面が僅かに下がった状態となるように、インナーベース２４を所定量だけ下降させる。このとき、造形プレート２２は、インナーベース２４と共に所定量だけ下降する。

そして、粉末供給装置１６は、ホッパー１６ａから粉末投下器１６ｂに供給された粉末材料３２を、粉末投下器１６ｂによって造形テーブル１８上に投下した後、スキージ１６ｃをＸ方向の一端側から他端側へと移動させることにより、インナーベース２４上に粉末材料３２を敷き詰める。このとき、粉末材料３２は、ΔＺ相当の厚さで造形テーブル１８の上に敷き詰められる。また、余分な粉末材料３２は、回収ボックス２１に回収される。

次に、ビーム照射装置２は、偏光アンプ制御回路１０１及びＰＣ１０４から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層を予備加熱、いわゆるパウダーヒート（Ｐ．Ｈ）する。粉末材料３２を仮焼結させるために粉末層を予備加熱する。粉末材料３２を仮焼結させると、粉末材料３２に導電性を持たせることができる。このため、予備加熱工程の後に行われる本焼結工程での粉末飛散を抑制することができる。

ビーム照射装置２は、造形プレート２２上の粉末材料３２に電子ビーム１５を照射する。また、ビーム照射装置２は、造形物３８を形成するための領域（以下、「造形領域」ともいう。）よりも広範囲に電子ビーム１５を走査する。これにより、造形領域に存在する粉末材料３２と、造形領域の周囲に存在する粉末材料３２とが、共に仮焼結される。

次に、反射電子画像（ＢＳＥ像）を取得する。まず、ビーム照射装置２は、偏光アンプ制御回路１０１及びＰＣ１０４から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、仮焼結された粉末材料３２が存在する仮焼結領域に電子ビーム１５を走査する。この際、ビーム照射装置２は、電子ビーム１５の電子ビーム電流をできるだけ小さくし、造形面３２ａにフォーカスを合わせて照射する。そして、検出部４６は、電子ビーム１５によって発生した反射電子を検出する。

また、検出部４６は、検出した反射電子信号をＰｒｅ－ＡＭＰ１０３及びＡＤＣ１０２を介してＰＣ１０４に出力する。ここで、ＰＣ１０４は、複数の演算式から、造形物３８の輪郭を強調することができる演算式を選択する。そして、ＰＣ１０４は、選択した演算式を用いて、反射電子信号に対して演算処理を行い、演算信号を演算する。そして、画像処理部は、演算信号を画像化して反射電子画像（ＢＳＥ像）を取得する。

図４は、パウダーヒート後に取得される反射電子画像の一例を示すものである。
画像処理部は、複数の検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄから取得した反射電子信号に対して演算処理を行い、反射電子画像を生成する。ここで、パウダーヒート後に取得される反射電子画像においては、画像処理部は、互いに対向して配置された第１検出部４６ａの第１反射電子信号Ａと、第２検出部４６ｂの第２反射電子信号Ｂを加算する。すなわち、演算式は、Ａ＋Ｂとなる。なお、互いに対向して配置された第３検出部４６ｃの第３反射電子信号Ｃと、第４検出部４６ｄの第４反射電子信号Ｄを加算してもよい（Ｃ＋Ｄ）。このような演算式により、造形物３８の輪郭が強調された反射電子画像を取得することができる。これにより、粉末材料３２が適切に敷かれたかどうかを確認しやすくなり、ＰＣ１０４による粉末材料３２の敷き詰め具合の判定処理を正確に行うことができる。図４では、適切に粉末が敷かれているため、基本的に全体が一様に黒い画像になっている。

次に、取得したＢＳＥ像を用いて、ＰＣ１０４は、粉末材料３２が適切に敷き詰められたかを判定する。粉末材料３２が適切に敷き詰められていないと、ＰＣ１０４が判断した場合、粉末材料３２の敷き詰め作業等を再度行う。

次に、ビーム照射装置２は、ＰＣ１０４及び偏光アンプ制御回路１０１から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、粉末材料３２を溶融および凝固によって本焼結（メルト）させる。上述のように仮焼結させた粉末材料３２を電子ビーム１５の照射によって溶融および凝固させることにより、仮焼結体としての粉末材料３２を本焼結させる。

ビーム照射装置２は、目的とする造形物３８の三次元ＣＡＤデータを一定の厚み（ΔＺに相当する厚み）にスライスした二次元データに基づいて造形領域を特定し、この造形領域を対象に電子ビーム１５を走査することにより、造形プレート２２上の粉末材料３２を選択的に溶融する。電子ビーム１５の照射によって溶融した粉末材料３２は、電子ビーム１５が通過した後に凝固する。これにより、１層目の造形物が形成される。

次に、本溶融後の反射電子画像（ＢＳＥ像）、すなわちメルト後ＢＳＥ像を取得する。まず、ビーム照射装置２は、偏光アンプ制御回路１０１及びＰＣ１０４から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、仮焼結された粉末材料３２が存在する仮焼結領域に電子ビーム１５を走査する。この際、ビーム照射装置２は、電子ビーム１５の電子ビーム電流をできるだけ小さくし、造形面３２ａにフォーカスを合わせて照射する。そして、検出部４６は、電子ビーム１５によって発生した反射電子を検出する。

また、検出部４６は、検出した反射電子信号をＰｒｅ－ＡＭＰ１０３及びＡＤＣ１０２を介してＰＣ１０４に出力する。また、検出部４６は、検出した反射電子信号をＰｒｅ－ＡＭＰ１０３及びＡＤＣ１０２を介してＰＣ１０４に出力する。そこで、ＰＣ１０４は、複数の演算式から、造形物３８の凹凸を強調することができる演算式を選択する。そして、ＰＣ１０４は、選択した演算式を用いて、反射電子信号に対して演算処理を行い、演算信号を演算する。そして、画像処理部は、演算信号を画像化して反射電子画像（ＢＳＥ像）を取得する。

図６は、本溶融後に取得される反射電子画像の一例を示すものである。
本溶融後に取得される反射電子画像において、画像処理部は、第１反射電子信号Ａと第２反射電子信号Ｂを減算する。または、第３反射電子信号Ｃと第４反射電子信号Ｄを減算する。これにより、造形物３８の造形面３２ａの凹凸が強調された反射電子画像を取得することができる。

なお、演算式としては、（Ａ－Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）又は（Ｃ－Ｄ）／（Ｃ＋Ｄ）を用いてもよい。すなわち、２つの反射電子画像の減算信号を２つの反射電子画像の加算信号で除算することで、電子ビーム電流の変動や、ノイズの影響を抑制できる。これにより、図６に示すように、造形物３８の造形面３２ａの凹凸が強調された反射電子画像を取得することができる。その結果、粉末材料３２が適切に溶融されたかどうかをより確認しやすくなり、ＰＣ１０４による粉末材料３２の溶融度合いの判定処理を正確に行うことができる。

次に、ＰＣ１０４は、メルト後のＢＳＥ像を判定して、粉末材料３２が適切に溶融されたかどうかを判定する。粉末材料３２が適切に溶融されていないと、ＰＣ１０４が判断した場合、粉末材料３２の本溶融作業等を再度行う。

次に、粉末材料３２を敷き詰めるための準備として、造形面３２ａを加熱するアフターヒート（Ａ．Ｈ）を行う。ビーム照射装置２は、偏光アンプ制御回路１０１及びＰＣ１０４の制御下で動作することにより、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形面３２ａに電子ビーム１５を照射する。このとき、偏光アンプ制御回路１０１は、ビーム照射装置２が備える対物レンズ等によって電子ビーム１５をデフォーカスさせる。このデフォーカスは、電子ビーム１５の合焦位置が造形面３２ａよりも下方にずれた状態、すなわちアンダーフォーカスの状態とする。

また、偏光アンプ制御回路１０１及びＰＣ１０４は、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するように、ビーム照射装置２を制御する。これにより、開口部３０ａに露出している造形面３２ａの全域に電子ビーム１５が照射される。また、造形面３２ａは、粉末材料３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。造形面３２ａを所定の温度に加熱したら、ビーム照射装置２は、電子ビーム１５の照射を停止する。

次に、造形プレート２２を所定量（ΔＺ）だけ下降させる。プレート移動装置２６は、造形テーブル１８上に敷き詰められた粉末材料３２の上面よりも造形面３２ａが僅かに下がった状態となるように、インナーベース２４をΔＺだけ下降させる。

以降は、最終層まで造形が完了、すなわち造形物３８の造形が完了するまで、上述した工程を繰り返す。造形物３８の造形は、造形物３８の造形に必要な層の数だけ粉末材料３２の溶融および凝固が行なわれた段階で完了となる。これにより、目的とする造形物３８が得られる。

このように、ＰＣ１０４は、ＢＳＥ像を取得する際の演算式を、造形工程に応じて、選択している。これにより、ＢＳＥ像を用いた判定作業時に適切な情報を用いて判定することができる。その結果、判定作業を容易に行うことができ、判定精度を向上させることができる。さらに、複数の演算式を予め用意することで、反射電子信号から複数種類の画像を取得することができるため、複数種類の判定処理に反射電子信号を用いることができ、反射電子信号の用途を拡大することができる。

なお、演算式は、上述した例に限定されるものではない。例えば、粉末材料３２の敷き詰め具合の判定時に用いるＢＳＥ像を、第１反射電子信号Ａ及び第２反射電子信号Ｂ、第３反射電子信号Ｃ、第４反射電子信号Ｄを用いた演算式としてＡ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄで演算してもよい。これにより、造形物３８の輪郭がより強調された反射電子画像を取得することができる。その結果、粉末材料３２が適切に敷かれたかどうかを確認しやすくなり、ＰＣ１０４による粉末材料３２の敷き詰め具合の判定処理をより正確に行うことができる。

また、粉末材料３２の溶融度合いの判定時に用いるＢＳＥ像を、演算式として、（Ａ－Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）と（Ｃ－Ｄ）／（Ｃ＋Ｄ）を合成した演算式で演算してもよい。造形物３８の造形面３２ａの凹凸がより強調された反射電子画像を取得することができる。その結果、粉末材料３２が適切に溶融されたかどうかをより確認しやすくなり、ＰＣ１０４による粉末材料３２の溶融度合いの判定処理を正確に行うことができる。

さらに、粉末材料３２の溶融度合いの判定時に用いるＢＳＥ像を取得するための演算式としては、例えば、下記のような演算式を用いてもよい。まず、演算式として（Ａ－Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）又は（Ｃ－Ｄ）／（Ｃ＋Ｄ）を用いてＢＳＥ像を取得する。そして、演算式としてＡ＋Ｂ又はＣ＋Ｄを用いてＢＳＥ像を取得する。そして、表示画面１０６には、２つの演算式で取得された２つのＢＳＥ像を同時に表示させる。これにより、造形物３８の溶融度合いだけでなく、造形物３８の形状や寸法も同時に確認することができる。すなわち、ＰＣ１０４が選択する演算式は、一つに限定されるものではなく、造形工程の内容によっては、複数の演算式から一つ以上の演算式を選択し、それぞれの演算式を用いて複数の演算信号を取得してもよい。

１－３．粉末材料の敷き詰め具合の判定例
次に、粉末材料３２の敷き詰め度合いを判定例について図４及び図５を参照して説明する。
図５は、パウダーヒート後に取得される反射電子画像であり、適切に粉末材料３２が敷き詰められなかった例を示している。なお、図５に示す反射電子画像は、演算式Ａ＋Ｂで取得された反射電子画像である。

粉末材料が適切に敷かれれば反射電子画像はほとんど全画面が黒い画像となる（図４参照）。そして、全く粉末材料が敷かれなければ図５に示すように、前の層でメルトされた部分全てが白く、その他のエリアは黒い画像となる。そして、一部分が敷かれた場合は前の層でメルトされた部分の一部（粉末材料が敷かれた部分）が黒く、残りのメルトされた部分（粉末材料３２が敷かれなかった部分）が白く、残りの粉末材料３２の部分は全て黒い画像となる。

ここで、ｘｙｚの３次元座標を考える。そして、前層のメルト後ＢＳＥ像と現在の層のメルト前ＢＳＥ画像のデータを（ｘ，ｙ，ｚ）の形で全ての画素数で数値化してｘｙｚの３次元データにする。すなわち、ＢＳＥ像のｘ座標としての位置、ＢＳＥ像のＹ座標としての位置、Ｘの座標とＹの座標に対応するＢＳＥ画像の明暗値を設定する。この時、明暗値は画像が白い程値が大きく、黒い程値が小さいものとする。

そして、２つの３次元データの同じｘｙ座標に該当するｚ座標の値（Ｘの座標とＹの座標に対応するＢＳＥ像の明暗値）の差分をとった３次元データを導出する。この前層のメルト後ＢＳＥ像と現在の層のメルト前ＢＳＥ像の差分をとった３次元データは、粉末材料が敷かれていなければ２つの３次元データのｚ座標の値（明暗値）がどのｘｙ座標でもほぼ同じになる。そのため、どのｘｙ座標においてもｚ座標の値はほぼ０に近い値を取る事が予想される。

一方、粉末材料３２が適切に敷かれていれば、前層で白かった造形物の部分が黒くなる為、差分をとった３次元データは造形物の位置を示すｘｙ座標におけるｚ座標の値が白と黒の差分を示す明暗値になる（確実に０よりも大きい値となる。）。そこで、２つの値に注目する。１つ目の値は、差分のデータをとった３次元データのｚ座標（２つのＢＳＥ像の明暗の差分値）である。そして、この値に対して閾値を設定する。２つ目の値は、差分のデータをとった３次元データのｚ座標（２つのＢＳＥ像の明暗の差分値）の閾値を超えた画素数の合計値を、前層の造形物が存在する事によってＢＳＥ画像が白くなった部分の画素数の合計値で割った値（以後、粉末敷き詰め割合と呼ぶ。）である。この粉末敷き詰め割合に対しても閾値を設定出来るようにして、この閾値よりも粉末敷き詰め割合の値が小さければ、粉末は適切に敷かれていないものと判断する。これにより、粉末材料３２の敷き詰め度合いを容易に判定することができる。

１－４．粉末材料の溶融度合いの判定例
次に、粉末材料３２の溶融度合いの判定例について図６を参照して説明する。
図６は、本溶融後に取得される反射電子画像である。そして、図６は、比較的適切に粉末材料が溶融された部分（ｉ）と、適切に溶融されたかった部分（ｊ）から（ｑ）の両方を含んだ例を示している。なお、図７に示す反射電子画像は、演算式（Ａ－Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）で取得された反射電子画像である。

粉末材料３２が適切に溶融された場合、図６の部分（ｉ）に示すように造形面３２ａの最表面はフラットになる。そして、図６の部分（ｊ）から（ｑ）に示すように、適切に溶融されなかった場合、造形面３２ａの最表面は凹凸が激しくなる。ここで、再表面の凹凸は、３次元の波とみなす事が出来る。そこで、この３次元の波の最大振幅と最大周期を求める。また、再表面の凹凸は、ｘｙｚの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）の形で全ての画素数で数値化し、ｘｙｚの３次元データにする事が出来る。すなわち、ＢＳＥ像のＸ座標としての位置、ＢＳＥ像のＹ座標としての位置Ｘの座標とＹの座標に対応するＢＳＥ像の明暗値を設定する。

そして、３次元データから最大振幅と最大周期を求める。振幅と周期に閾値を設け、両者、あるいは一方の閾値を超えた時に粉末材料３２は適切に溶融されていないと判断する。これにより、粉末材料３２の溶融度合いを判定することができる。

２．第２の実施の形態例
次に、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置について図７を参照して説明する。
図７は、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における検出部の位置を示す平面図である。

この第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置が第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形と異なる点は、検出部の数である。そのため、ここでは、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図７に示すように、８つの検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｈを有している。そして、８つの検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｈは、造形物３８の周囲を囲むようにして等角度間隔に配置されている。すなわち、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置は、８分割の電極を有している。

そして、画像処理部は、８つの検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｈからの反射電子信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを用いてＢＳＥ像を取得する。ＢＳＥ像を取得する演算式としては、例えば、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｈ等その他各種の演算式を用いることができる。

さらに、検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｈを８分割電極とすることで、Ａ－ＥからＤ－Ｈまでの４５°ごとの方向から造形面３２ａの傾斜情報を取得することができる。そのため、造形面３２ａの表面形状をより細かく解析することができ、精度の高い凹凸情報を得ることができる。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。この第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と同様の作用効果を得ることができる。

３．第３の実施の形態例
次に、第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置について図８を参照して説明する。
図８は、第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における検出部の位置を示す平面図である。

この第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置が第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形と異なる点は、検出部の数である。そのため、ここでは、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図８に示すように、１２つの検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｈ、４６ｉ、４６ｊ、４６ｋ、４６ｌを有している。そして、１２つの検出部４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｈ、４６ｉ、４６ｊ、４６ｋ、４６ｌは、造形物３８の周囲を囲むようにして等角度間隔に配置されている。すなわち、第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置は、１２分割の電極を有している。

結晶方位等の影響で反射電子の放出方向が３回対称（六方晶等）や４回対称（立方晶等）である造形面３２ａに対して、溶融後の反射電子検出において３回対称方向の電極信号（Ａ＋Ｅ＋Ｉ、Ｂ＋Ｆ＋Ｊ、Ｃ＋Ｇ＋Ｋ、Ｄ＋Ｈ＋Ｌ）を用いてＢＳＥ像を取得する。また、４回対称方向の電極信号（Ａ＋Ｄ＋Ｇ＋Ｊ、Ｂ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｋ、Ｃ＋Ｆ＋Ｉ＋Ｌ）を用いてＢＳＥ像を取得する。そして、３回対称方向の電極信号からなるＢＳＥ像と、４回対称方向の電極信号からなるＢＳＥ像を比較することで造形面３２ａの結晶方位情報を得ることができる。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。この第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置及び第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置では、造形プレート２２を円形に形成した例を説明したが、これに限定されるものではなく、第１の実施の形態例と同様に、四角形状に形成してもよい。また、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置及び第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置に示す円形の造形プレート２２に対して、検出部４６を第１の実施の形態例と同様に、４つ設けて、Ｘ方向とＹ方向の両側に配置してもよい。

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。

また、上述した実施の形態例では、画像処理部により反射電子信号を演算後、それぞれの演算信号を画像化していたが、これに限定されるものではない。例えば、複数の演算式から工程に応じた演算式を選択し、反射電子信号を用いて演算し、演算信号を導出する。そして、演算信号の画像化を行わずに、演算信号の情報の状態で粉末材料が適切に敷かれたかどうかの判断や粉末材料が適切に溶融されたかどうかの判断を行ってもよい。

さらに、演算式としては、上述した例に限定されるものではなく、例えば、その他各種の演算式が適用されるものである。取得した複数の反射電子信号に対し離散フーリエ変換を行い複数の波数信号に分解する。そして、造形工程に応じて分解した波数信号からＢＳＥ像を生成してもよい。

また、検出部としては、複数の検出面が二次元アレイ状に並べて配置されて検出部を用いてもよい。このよう検出部の場合、所定の領域毎に検出面を分割する。そして、各領域に配置された複数の検出面で検出された反射電子信号を領域ごとに平均化処理を行ってもよい。このように、検出部の構成としては、その他各種の構成が適用できるものである。

例えば、上述した実施の形態例では、粉末材料としてチタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、粉末材料としては、樹脂等を用いてもよい。また、粉末材料を予熱や溶融させる加熱機構として電子ビームを照射する電子銃を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。加熱機構としては、例えば、レーザを照射するレーザ照射部を適用してもよい。

また、制御部として、ＰＣ１０４を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。制御部としては、ビーム照射装置２を制御する電子ビーム制御部等その他各種の演算機能を有する制御部が適用できるものである。

また、上述した実施の形態例では、検出部４６が輻射シールドカバー２８の内側に配置される例を説明したが、これに限定されるものではない。検出部４６を輻射シールドカバー２８の外側に配置してもよい。

また、上記の各構成要素、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路の設計などによりハードウエアで実現してもよい。また、上記の各構成要素、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウエアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又はＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

なお、本明細書において、「平行」及び「直交」等の単語を使用したが、これらは厳密な「平行」及び「直交」のみを意味するものではなく、「平行」及び「直交」を含み、さらにその機能を発揮し得る範囲にある、「略平行」や「略直交」の状態であってもよい。

１…３次元積層造形装置、 ２…ビーム照射装置、 ３…真空チャンバー、 １５…電子ビーム、 １６…粉末供給装置、 １６ａ…ホッパー、 １６ｂ…粉末投下器、 １６ｃ…スキージ、 １６ｄ…ブレード、 １８…造形テーブル、 ２０…造形ボックス、 ２１…回収ボックス、 ２２…造形プレート、 ２４…インナーベース、 ２６…プレート移動装置、 ３２…粉末材料、 ３２ａ…造形面、 ３８…造形物、 ４２…カメラ、 ４４…シャッター、 ４６…検出部、 １０１…偏光アンプ制御回路、１０２…デジタル変換回路（ＡＤＣ）、 １０３…プリアンプ（Ｐｒｅ－ＡＭＰ） １０４…パーソナルコンピュータ（ＰＣ、制御部）、 １０５…表示部、 １０６…表示画面

Claims (7)

1. 造形プレートと、
   前記造形プレートに粉末材料を供給し、粉末層を形成する粉末供給装置と、
   前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
   前記電子ビームが前記粉末材料に照射した際に発生する反射電子を検出する複数の検出部と、
   複数の前記検出部が検出した複数の反射電子信号を取得し、複数の前記反射電子信号に対して演算処理を行い、演算信号を演算する制御部と、を備え、
   前記制御部は、複数の演算式を有しており、
   前記制御部は、前記粉末材料の敷き詰め具合と前記粉末材料の溶融度合いを判定する際、複数の演算式から互いに異なる所定の演算式を選択し、選択した演算式を用いて、複数の前記反射電子信号に対して演算処理を行い、得られた演算信号に基づいて判定を行う
   ３次元積層造形装置。
2. 前記制御部は、前記粉末材料の敷き詰め具合を判定する際、複数の前記反射電子信号を加算して得られた演算信号に基づいて判定を行う
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記制御部は、前記粉末材料の溶融度合いを判定する際、複数の反射電子信号を減算して得られた演算信号に基づいて判定を行う
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記制御部は、前記粉末材料の溶融度合いを判定する際、複数の反射電子信号を減算して得られた減算信号に対して、複数の前記反射電子信号を加算して得られた加算信号を除算することで得られた演算信号に基づいて判定を行う
   請求項３に記載の３次元積層造形装置。
5. 造形工程に応じて複数の前記演算式から一つ以上の演算式を選択し、それぞれの演算式を用いて複数の演算信号を演算する
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
6. 複数の前記検出部は、前記造形プレートの周囲を囲むように配置される
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
7. 造形プレートと、前記造形プレートに粉末材料を供給し、粉末層を形成する粉末供給装置と、前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、前記電子ビームが前記粉末材料に照射した際に発生する反射電子を検出する複数の検出部と、複数の前記検出部が検出した複数の反射電子信号を取得し、複数の前記反射電子信号に対して演算処理を行い、
   演算信号を演算する制御部と、を備えた３次元積層造形装置の制御方法において、
   前記制御部は、前記粉末材料の敷き詰め具合と前記粉末材料の溶融度合いを判定する際、複数の演算式から互いに異なる所定の演算式を選択し、選択した演算式を用いて、複数の前記反射電子信号に対して演算処理を行い、得られた演算信号に基づいて判定を行う
   ３次元積層造形装置の制御方法。