WO2018181334A1

WO2018181334A1 - 造形システム及び造形方法

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Abstract

ビームを用いて対象面（ＴＡＳ）上に三次元造形物を形成する造形システムは、軸（ＡＸ）に対して傾斜する光路を通るビーム（ＬＢ_１、ＬＢ_２）を射出するビーム照射部（５２０）と、材料供給口を有し、ビーム照射部からのビームで照射される粉状の造形材料（ＰＤ）を軸（ＡＸ）に沿って供給する材料供給部（５３０）と、一端側から他端側に徐々に収束する内面を有し、他端にビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材（３０）と、カバー部材内部の空間（３０ａ）内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置（４２）と、を備え、不活性ガスが、カバー部材の出口を介して空間の外に流れ、造形材料は、カバー部材の出口を介して前記空間の外に供給される。

Description

造形システム及び造形方法

　本発明は、造形システム及び造形方法に係り、さらに詳しくは、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システム及び造形方法に関する。本発明に係る造形システム及び造形方法は、ラピッドプロトタイピング（３Ｄプリンティング、あるいは付加製造、あるいはダイレクトデジタル製造と呼ばれることもある）による三次元造形物の形成に好適に用いることができる。

　ＣＡＤデータから直接３Ｄ（三次元）形状を生成する技術は、ラピッドプロトタイピング（３Ｄプリンティング、あるいは付加製造、あるいはダイレクトデジタル製造と呼ばれることもあるが、以下、ラピッドプロトタイピングを総称として用いる）と呼ばれる。３Ｄプリンタ等のラピッドプロトタイピングにより三次元造形物を形成する造形装置を、扱う材料で分類すると、樹脂を扱うものと金属を扱うものに大別できる。ラピッドプロトタイピングで製作される金属製の三次元造形物は、実際の機械構造物の一部（それが量産品にせよ試作品にせよ）として用いられることになる。既存の金属用３Ｄプリンタ（以下、Ｍ３ＤＰ（Metal 3D Printer）と略記する）として、ＰＢＦ（Powder Bed Fusion）とＤＥＤ（Directed Energy Deposition）の２種類がよく知られている。

　ＤＥＤでは、溶解させた金属材料を、加工対象に付着させる方法をとっている。例えば、集光レンズで絞ったレーザビームの焦点付近に、粉末金属を噴射する（例えば、特許文献１参照）。

　ＤＥＤでは、粉末材料は加工ヘッドから必要に応じて必要な量だけ供給されるため、無駄が少ない。

　上述したように、ＤＥＤは、ＰＢＦに比べて、原材料となる粉末金属の扱いなどにおいて改善が図られているが、改善すべき点は多い。

米国特許出願公開第２００３／０２０６８２０号明細書

　本発明の第１の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、材料供給口を有し、前記ビーム照射部からのビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給する材料供給部と、一端側から他端側に徐々に収束する内面を有し、前記他端に前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に供給される造形システムが、提供される。

　本明細書において、対象面は、造形の目標部位が設定される面である。

　本発明の第２の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、材料供給口を有し、前記ビーム照射部からのビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給する材料供給部と、前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、前記不活性ガスは、旋回流となって、前記カバー部材の内面に沿って前記出口に向かって流れ、前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に供給される造形システムが、提供される。

　本発明の第３の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、材料供給口を有し、前記ビーム照射部からのビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給する材料供給部と、前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、前記不活性ガスは、前記軸の周りを旋回流となって、前記出口に向かって流れ、前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に供給される造形システムが、提供される。

　本発明の第４の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、材料供給口を有し、造形材料としての紛体を前記軸に沿って供給する材料供給部と、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形システムが、提供される。

　本発明の第５の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、一端側から他端側に徐々に収束する内面を有し、前記他端に前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法が、提供される。

　本発明の第６の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、前記不活性ガスは、旋回流となって、前記カバー部材の内面に沿って前記出口に向かって流れ、前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法が、提供される。

　本発明の第７の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、前記不活性ガスは、前記軸の周りを旋回流となって、前記出口に向かって流れ、前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法が、提供される。

　本発明の第８の態様によれば、ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、一端側から他端側に徐々に収束する内面を有し、前記他端に前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法が、提供される。

一実施形態に係る造形システムの全体構成を示すブロック図である。造形システムをワークが搭載されたテーブルとともに示す図である。光源系からの平行ビームがミラーアレイに照射され、複数のミラー素子それぞれからの反射ビームの集光光学系に対する入射角度が個別に制御される状態を示す図である。造形システムが備える材料供給部を集光光学系等とともに示すである。図２における鏡筒８５及びその下方の部分を、ワークＷの目標部位ＴＡ近傍部分とともに拡大して示す図である。造形装置の制御系を中心的に構成する制御装置の入出力関係を示すブロック図である。複数の供給口を介して、不活性ガスをカバー部材の内部に供給し、上下に流れるガスの流れを生じさせる変形例について説明するための図である。

　以下、一実施形態について、図１～図６に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る造形システム１００の全体構成が、ブロック図にて示されている。

　造形システム１００は、ＤＥＤ方式のＭ３ＤＰである。造形システム１００は、ラピッドプロトタイピングにより、後述するテーブル上で三次元造形物を形成するのにも用いることができるが、ワーク（例えば、既存の部品）に対して三次元造形による付加加工を行うのにも用いることもできる。本実施形態では、後者のワークに対する付加加工を行う場合を中心として説明を行う。

　造形システム１００は、移動装置２００、計測装置４００及び造形ヘッド部５００と、これら各部を含む造形システム１００の全体を制御する制御装置６００とを備えている。このうち、計測装置４００と、造形ヘッド部５００とは、所定方向、に離れて配置されている。以下の説明では、便宜上、計測装置４００と、造形ヘッド部５００とは、後述するＸ軸方向（図２参照）に離れて配置されているものとする。

　図２には、造形ヘッド部５００が、ワークＷが搭載されたテーブル１２とともに示されている。以下では、図２における紙面に直交する方向をＸ軸方向、紙面内の左右方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの回転（傾斜）方向を、それぞれθｘ、θｙ及びθｚ方向として説明を行う。

　移動装置２００は、造形の対象面（ここではワークＷ上の目標部位ＴＡが設定される面）ＴＡＳ（例えば図２及び図５参照）の位置及び姿勢を変更する。具体的には、対象面ＴＡＳを有するワークＷが搭載されるテーブル１２を６自由度方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θｘ、θｙ及びθｚの各方向）に移動することで、対象面の６自由度方向の位置の変更を行う。本明細書においては、テーブル、ワーク又は対象面などについて、θｘ、θｙ及びθｚ方向の３自由度方向の位置を適宜「姿勢」と総称し、これに対応して残りの３自由度方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）の位置を適宜「位置」と総称する。

　移動装置２００は、ワークＷが載置されるテーブル１２と、ＸＹ平面に平行な床面上に配置され、テーブル１２の位置及び姿勢を変更する駆動機構１１（図２では不図示、図６参照）と、テーブル１２、ワークＷ及び駆動機構１１の全体を床面に沿って２次元方向に移動するための平面モータ２６（図２では不図示、図６参照）とを備えている。ここで、移動装置２００は、テーブル１２の駆動機構１１として、一例としてベースプラットホームを構成するスライダと、エンドエフェクタを構成するテーブル１２と、を備え、例えば米国特許第６，９４０，５８２号明細書に開示されるのと同様に構成されたスチュワートプラットホーム型の６自由度パラレルリンク機構を備えている。移動装置２００は、テーブル１２の駆動機構１１として、スチュワートプラットホーム型の６自由度パラレルリンク機構を備えているので、高精度、高剛性、支持力が大きい、逆運動学計算が容易などの特徴がある。なお、移動装置２００は、テーブルを６自由度方向に移動できるものに限定されない。

　本実施形態に係る造形システム１００では、ワークに対する付加加工時等において、ワークに対して所望の形状の造形物を形成する等のため、造形ヘッド部５００に対し、より具体的には後述するビーム照射部からのビームに対してワーク（テーブル１２）の位置及び姿勢が制御される。原理的には、この逆にビーム照射部からのビームの方が可動であっても良いし、ビームとワーク（テーブル）の両方が可動であっても良い。

　テーブル１２は、その上面に付加加工対象のワークＷが搭載される。テーブル１２には、ワークＷを固定するためのチャック機構１３（図２では不図示、図６参照）が設けられている。チャック機構１３としては、例えばメカニカルチャックあるいは真空チャックなどが用いられる。なお、テーブル１２の形状は、矩形板状、円盤状など如何なる形状でも良い。制御装置６００は米国特許第６，９４０，５８２号明細書に開示されているのと同様の方法により、逆運動学計算を用いて駆動機構１１（パラレルリンク機構）を介してテーブル１２の位置及び姿勢を制御する。なお、パラレルリンク機構は、６本の伸縮可能なロッド（リンク）を備えており、各ロッドを個別に伸縮させる６つの伸縮機構を介して各ロッドの長さが制御装置６００により制御され、各ロッドの長さ情報（基準状態からの長さの変化量）がリニアエンコーダ２４_１～２４_６（図６参照）によってそれぞれ計測される。なお、リニアエンコーダは、実際には、パラレルリンク機構を構成する６本の伸縮可能なロッドに設けられるが、図６では、便宜上、駆動機構１１とは別に示されている。

　平面モータ２６としては、ムービングマグネット型（又はムービングコイル型）のエア浮上方式の平面モータが用いられている。すなわち、テーブル１２を含む駆動機構１１の全体は、スライダの底面に前述の平面モータ２６の可動子とともに設けられた複数のエアベアリングによって、平面モータ２６の固定子が設けられた床面（又はベース）上で浮上支持されている。平面モータ２６によって、テーブル１２を含む駆動機構１１の全体は、床面（又はベース）上で移動される。本実施形態では、移動装置２００は、図１に示される計測装置４００及び造形ヘッド部５００、並びにワーク搬送系３００（図１では不図示、図６参照）の相互間で、テーブル１２を自在に移動可能である。なお、移動装置２００が、それぞれにワークＷを搭載する複数のテーブル１２を備えていても良い。例えば複数のテーブルの１つに保持されたワークに対して造形ヘッド部５００を用いた加工を行っている間に、別のテーブルに保持されたワークに対して計測装置４００を用いた計測を行っても良い。かかる場合においても、計測装置４００及び造形ヘッド部５００、並びにワーク搬送系３００（図１では不図示、図６参照）の相互間で、それぞれのテーブルが自在に移動可能にすれば良い。あるいは、もっぱら計測装置４００を用いた計測のときにワークを保持するテーブルと、もっぱら造形ヘッド部５００を用いた加工のときにワークを保持するテーブルとを設けるとともに、その２つのテーブルに対するワークの搬入及び搬出がワーク搬送系３００等によって可能となる構成を採用した場合には、それぞれのパラレルリンク機構のベースプラットホームを構成するスライダは、床面（又はベース）上に固定されていても良い。複数のテーブル１２を設ける場合であっても、それぞれのテーブル１２は、６自由度方向に可動であり、その６自由度方向の位置の制御が可能である。

　なお、平面モータ２６としては、エア浮上方式に限らず、磁気浮上方式の平面モータを用いても良い。後者の場合、スライダには、エアベアリングを設ける必要はない。

　制御装置６００では、平面モータ２６を構成するコイルユニットの各コイルに供給される電流の大きさ及び方向の少なくとも一方を制御することで、スライダを、床面（又はベース）上でＸ、Ｙ２次元方向に自在に移動することができる。

　本実施形態では、移動装置２００は、スライダのＸ軸方向及びＹ軸方向に関する位置情報を計測する位置計測系２８（図６参照）を備えている。位置計測系２８は、例えばエンコーダシステムあるいは干渉計システムなどによって構成することができる。

　本実施形態では、後述するように、計測装置４００により、テーブル１２上に搭載されたワークＷ上の対象面（例えば上面）の少なくとも一部の三次元空間内の位置情報（本実施形態では形状情報）が計測され、その計測後にワークＷに対する付加加工（造形）が行われる。したがって、制御装置６００は、ワークＷ上の対象面の少なくとも一部の形状情報を計測したときに、その計測結果と、リニアエンコーダ２４_１～２４_６によって計測される、その計測時におけるパラレルリンク機構の６本のロッドそれぞれの長さの計測情報と、位置計測系２８の計測結果と、を対応づけることで、テーブル１２に搭載されたワークＷ上の対象面の位置及び姿勢を、造形システム１００の基準座標系（以下、テーブル座標系と呼ぶ）と関連付けることができる。これにより、それ以後は、パラレルリンク機構の６本のロッドそれぞれの長さの計測情報及び位置計測系２８の計測結果に基づくテーブル１２の６自由度方向の位置のオープンループの制御により、ワークＷ上の対象面ＴＡＳの目標値に対する６自由度方向に関する位置制御が可能になっている。なお、テーブル１２の６自由度方向の位置のオープンループの制御によるワークＷ上の対象面の目標値に対する６自由度方向に関する位置制御を可能にするために用いられる、計測装置４００で計測すべき前述の三次元空間内の位置情報は、形状に限らず、対象面の形状に応じた少なくとも３点の三次元位置情報であれば足りる。

　なお、本実施形態では、スライダをＸＹ平面内で動かす駆動装置として、平面モータ２６に代えてリニアモータを用いても良い。

　また、テーブル１２を移動するための機構を、前述のスチュワートプラットホーム型の６自由度パラレルリンク機構以外のタイプのパラレルリンク機構、あるいはパラレルリンク機構以外の機構を用いて構成しても良い。移動装置２００のテーブルを移動するための機構の構成は、要は、ワークが載置されるテーブル（可動部材）をＸＹ平面内の３自由度方向、及びＺ軸方向、並びにＸＹ平面に対する傾斜方向（θｘ又はθｙ）の少なくとも５自由度方向に移動できる構成であれば良い。この場合において、テーブル１２そのものを、エア浮上又は磁気浮上によって、ベースなどの支持部材の上面上に所定のクリアランス（ギャップ又は隙間）を介して浮上支持（非接触支持）しても良い。このような構成を採用すると、テーブルは、これを支持する部材に対して非接触で移動するので、位置決め精度上極めて有利であり、造形精度向上に大きく寄与する。なお、テーブル１２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３自由度方向にだけ可動であっても良い。

　なお、テーブル１２を移動するための機構は、ＸＹ平面内で移動するスライダを備えていなくても良い。例えばテーブルとこのテーブルを移動するロボットによって移動システムを構成しても良い。

　計測装置４００は、テーブル１２に搭載されたワークの位置及び姿勢をテーブル座標系と関連付けるためのワークの三次元位置情報、一例として形状の計測を行う。計測装置４００は、図６に示されるように、例えばレーザ非接触式の三次元計測機４０１を備えている。三次元計測機４０１は、例えば米国特許出願公開第２０１２／０１０５８６７号明細書に開示されている形状測定装置と同様に構成されている。

　本実施形態に係る三次元計測機４０１を用いる計測方法では、例えば光切断法を用いることで、被検物の表面に一本のライン光からなるライン状投影パターンを投影し、ライン状投影パターンを被検物表面の全域を走査させる毎に、被検物に投影されたライン状投影パターンを投影方向と異なる角度から撮像する。そして、撮像された被検物表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの高さを算出し、被検物表面の三次元形状を求める。ただし、ライン光の被検物に対するＸ、Ｙ平面に平行な方向の走査は、米国特許出願公開第２０１２／０１０５８６７号明細書に記載されている装置では、センサ部の移動によって行われるのに対し、本実施形態では、テーブル１２の移動によって行われる点が相違する。もちろん、センサ部の移動によって、あるいはセンサ部とテーブル１２の両方の移動によって前述の走査が行われても良い。

　計測装置４００は、上述の三次元計測機４０１の代わりに、あるいは上述の三次元計測機に加えて、アライメントマークを光学的に検出するマーク検出系５６（図６参照）を備えていても良い。マーク検出系５６は、例えばワークに形成されたアライメントマークを検出することができる。制御装置６００は、マーク検出系５６を用いて少なくとも３つのアライメントマークの中心位置（三次元座標）をそれぞれ正確に検出することで、ワーク（又はテーブル１２）の位置及び姿勢を算出する。かかるマーク検出系５６は、例えばステレオカメラを含んで構成することができる。マーク検出系５６により、テーブル１２上に予め形成された最低三か所のアライメントマークを光学的に検出することとしても良い。

　本実施形態では、制御装置６００は、上述したようにして三次元計測機４０１を用いて、ワークＷの表面（対象面）を走査し、その表面形状データを取得する。そして、制御装置６００は、その表面形状データを用いて最小自乗的処理を行いワーク上の対象面の三次元的位置及び姿勢をテーブル座標系に対して関連付けを行う。ここで、被検物（ワークＷ）に対する上述した計測中を含み、テーブル１２の６自由度方向の位置は、制御装置６００によってテーブル座標系上で管理されているので、ワークの三次元的位置及び姿勢がテーブル座標系に対して関連付けられた後は、三次元造形による付加加工時を含み、ワークＷの６自由度方向の位置（すなわち位置及び姿勢）の制御は全てテーブル座標系に従ったテーブル１２のオープンループの制御により行うことができる。

　なお、計測装置４００を備えていなくても良い。

　図２に示されるように、造形ヘッド部５００は、光源系５１０及び集光光学系８２を含み、集光光学系８２（終端レンズ８２ａ）を介して光軸ＡＸに対してＹＺ面内で傾斜する光路を通るビームＬＢ_１、ＬＢ_２を射出するビーム照射部５２０と、粉状の造形材料ＰＤを供給する材料供給部５３０と、集光光学系８２を保持する鏡筒８５の下端に接続されたカバー部材３０と、カバー部材３０の内部の第１空間３０ａ内に後述するガス供給口を介して不活性ガス、例えば窒素（Ｎ_２）を供給するガス供給装置４０（図６参照）と、を備えている。

　光源系５１０は、例えば複数のレーザユニットを含む光源ユニット６０（図２では不図示、図６参照）と、ダブルフライアイ光学系及びコンデンサレンズ系等を備えた照度均一化光学系（不図示）とを備え、照度均一化光学系を用いて、複数のレーザユニットからそれぞれ射出されるビームを混合し、断面照度分布が均一化された平行ビームを生成する。

　なお、照度均一化光学系の構成は、特に問わない。例えば、ロッドインテグレータ、コリメーターレンズ系などを用いて照度均一化光学系を構成しても良い。

　光源系５１０の光源ユニット６０（複数のレーザユニット）は、制御装置６００（図６参照）に接続されており、制御装置６００によって、複数のレーザユニットのオンオフが、個別に制御される。これにより、ビーム照射部５２０からワークＷ（上の対象面）に照射されるレーザビームの光量（レーザ出力）が調整可能である。

　なお、造形システム１００が、光源、あるいは光源と照度均一化光学系を備えていなくても良い。例えば、所望の光量（エネルギー）と所望の照度均一性を有する平行ビームを、外部装置から造形システム１００に供給しても良い。

　ビーム照射部５２０は、図２に示されるように、光源系５１０の他、光源系５１０からの平行ビームの光路上に順次配置されたビーム断面強度変換光学系７８及び空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）の一種であるミラーアレイ８０と、ミラーアレイ８０からの光を集光する集光光学系８２とを有する。ここで、空間光変調器とは、所定方向へ進行する光の振幅（強度）、位相あるいは偏光の状態を空間的に変調する素子の総称である。

　ビーム断面強度変換光学系７８は、光源系５１０からの平行ビームの断面の強度分布を変換する。本実施形態では、ビーム断面強度変換光学系７８は、光源系５１０からの平行ビームを、その断面の中心を含む領域の強度がほぼ零となるドーナツ状（輪帯状）の平行ビームに変換する。ビーム断面強度変換光学系７８は、本実施形態では、例えば光源系５１０からの平行ビームの光路上に順次配置された凸型円錐反射鏡及び凹型円錐反射鏡によって構成されている。光源系５１０からの平行ビームは、凸型円錐反射鏡の反射面により放射状に反射され、この反射ビームが凹型円錐反射鏡の反射面で反射されることで、輪帯状の平行ビームに変換される。

　本実施形態では、ビーム断面強度変換光学系７８を経由した平行ビームは、後述するようにミラーアレイ８０及び集光光学系８２を介してワークに照射される。ビーム断面強度変換光学系７８を用いて光源系５１０からの平行ビームの断面強度分布を変換することによって、ミラーアレイ８０から集光光学系８２の瞳面（入射瞳）ＰＰに入射するビームの強度分布を変更することが可能である。また、ビーム断面強度変換光学系７８を用いて光源系５１０からの平行ビームの断面強度分布を変換することによって、実質的に集光光学系８２から射出されるビームの集光光学系８２の射出面における強度分布を変更することも可能である。

　なお、ビーム断面強度変換光学系７８は、凸型円錐反射鏡と凹型円錐反射鏡との組み合わせに限らず、例えば米国特許出願公開第２００８／００３０８５２号明細書に開示される、回折光学素子、アフォーカルレンズ、及び円錐アキシコン系の組み合わせを用いて構成しても良い。ビーム断面強度変換光学系７８は、ビームの断面強度分布を変換するものであれば良く、種々の構成が考えられる。ビーム断面強度変換光学系７８の構成によっては、光源系５１０からの平行ビームを、その断面の中心（集光光学系８２の光軸）を含む領域での強度をほぼ零でなく、その外側の領域での強度よりも小さくすることも可能である。

　ミラーアレイ８０は、本実施形態では、ＸＹ平面及びＸＺ平面に対して４５度（π/４）を成す面（以下、便宜上基準面と呼ぶ）を一面に有するベース部材８０Ａと、ベース部材８０Ａの基準面上に例えばＰ行Ｑ列のマトリクス状に配置された例えばＭ（＝Ｐ×Ｑ）個のミラー素子８１_ｐ,ｑ（ｐ＝１～Ｐ、ｑ＝１～Ｑ）と、各ミラー素子８１_ｐ,ｑを個別に動かすＭ個のアクチュエータ（不図示）を含む駆動部８７（図２では不図示、図６参照）とを有している。ミラーアレイ８０は、多数のミラー素子８１_ｐ,ｑの基準面に対する傾きを調整することにより（例えば、すべてのミラー素子８１_ｐ,ｑの反射面を基準面とほぼ平行にすることにより）、基準面と平行な大きな反射面を実質的に形成可能である。

　ミラーアレイ８０の各ミラー素子８１_ｐ,ｑの反射面は、例えば矩形である。ミラーアレイ８０の各ミラー素子８１_ｐ,ｑは、例えば各ミラー素子８１_ｐ,ｑの反射面の一方の対角線に平行な回転軸回りに回動可能に構成され、その反射面の基準面に対する傾斜角度を所定角度範囲内の任意の角度に設定可能である。各ミラー素子の反射面の角度は、回転軸の回転角度を検出するセンサ、例えばロータリエンコーダ８３_ｐ,ｑ（図２では不図示、図６参照）によって計測される。

　駆動部８７は、例えばアクチュエータとして電磁石あるいはボイスコイルモータを含み、個々のミラー素子８１_ｐ,ｑは、アクチュエータによって動かされて非常に高応答で動作する。

　ミラーアレイ８０を構成する複数のミラー素子のうち、光源系５１０からの輪帯状の平行ビームによって照明されたミラー素子８１_ｐ,ｑのそれぞれは、その反射面の傾斜角度に応じた方向に反射ビーム（平行ビーム）を射出し、集光光学系８２に入射させる（図３参照）。なお、本実施形態において、ミラーアレイ８０に入射する平行ビームの断面形状（断面強度分布）を輪帯形状とは異ならせても良い。例えば、集光光学系８２の瞳面ＰＰにおいて、光軸ＡＸの周囲の輪帯状の領域の一部（例えば、光軸ＡＸに対して一側の第１部分と他側の第２部分）だけにビームが照射されるようにしても良い。またビーム断面強度変換光学系７８を設けなくても良い。

　集光光学系８２は、開口数Ｎ．Ａ．が例えば０．５以上、好ましくは０．６以上の高ＮＡで、低収差の光学系である。集光光学系８２は、図２に示されるように、円筒状の鏡筒８５によって保持された終端レンズ８２ａを含む１又は複数枚の大口径のレンズ（図２等では、終端レンズ８２ａを代表的に図示）によって構成される。本実施形態では、終端レンズ８２ａとして、光軸ＡＸを含む中心部に光軸ＡＸ方向に貫通する中空部ＴＨを有するレンズ（便宜上、中抜けレンズと呼ぶ）が用いられている。集光光学系８２が複数枚のレンズを有する場合、終端レンズ８２ａ以外のレンズは、中抜けレンズであっても良いし、中抜けレンズでなくても良い。集光光学系８２は、大口径、低収差かつ高Ｎ．Ａ．であるため、ミラーアレイ８０からの複数の平行ビームを後側焦点面上に集光することができる。ビーム照射部５２０は、集光光学系８２（終端レンズ８２ａ）から射出されるビームを、例えば、スポット状に集光することができる。また、集光光学系８２は、１又は複数枚の大口径のレンズによって構成されるので、入射光の面積を大きくすることができ、これにより、開口数Ｎ．Ａ．が小さい集光光学系を用いる場合に比べてより多量の光エネルギを取り込むことができる。したがって、本実施形態に係る集光光学系８２によって集光されたビームは、極めてシャープで高エネルギ密度を有することとなり、これにより、付加加工の加工精度を高めることが可能となる。

　本実施形態では、後述するように、テーブル１２をＸＹ平面に平行な走査方向（図２では、一例としてＹ軸方向）に移動することにより、ビームと造形の対象面ＴＡＳを上端に有するワークＷとを走査方向（スキャン方向）に相対走査しながら造形（加工処理）を行う場合を説明する。なお、造形の際に、テーブル１２のＹ軸方向への移動中に、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向、θｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向の少なくとも１つの方向にテーブル１２を移動しても良いことは言うまでもない。また、本実施形態では、後述するように、材料供給部５３０によって供給された粉状の造形材料（金属材料）をレーザビームのエネルギにより溶融するようになっている。したがって、前述したように、集光光学系８２が取り込むエネルギの総量が大きくなれば、集光光学系８２から射出されるビームのエネルギが大きくなり、単位時間に溶解できる金属の量が増える。その分、造形材料の供給量とテーブル１２の速度とを上げれば、造形のスループットが向上する。

　本実施形態に係る造形システム１００では、造形の対象面ＴＡＳが所定面（以下、造形面ＭＰと呼ぶ）に位置合わせされる（例えば図２及び図５参照）。造形システム１００では、例えばスポット状のビームの照射領域（ビームスポット）を、造形面ＭＰ上に形成し、そのビームスポットを形成するビーム（スポットビーム）に対してワークＷ（対象面ＴＡＳ）を相対走査しながら造形（加工処理）を行うことができる。

　なお、本実施形態において、上述の造形面ＭＰは、集光光学系８２の後側焦点面である（例えば図２及び図５参照）が、造形面は、後側焦点面の近傍の面でも良い。また、本実施形態において、造形面ＭＰは、集光光学系８２の射出側の光軸ＡＸに垂直であるが、垂直でなくても良い。

　造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を設定する、あるいは変更する方法（例えば、上述したようなビームスポットを形成する方法）としては、例えば集光光学系８２に入射する複数の平行ビームの入射角度分布を制御する手法を採用することができる。

　なお、本実施形態の集光光学系８２は、その瞳面（入射瞳）ＰＰと前側焦点面とが一致する構成となっているため、ミラーアレイ８０を用いた複数の平行ビームＬＢの入射角度の変更により、その複数の平行ビームＬＢの集光位置を正確に、簡便に制御することができるが、集光光学系８２の瞳面（入射瞳）と前側焦点面とが一致する構成でなくても良い。

　本実施形態では、ミラーアレイ８０を採用し、制御装置６００が、各ミラー素子８１_ｐ,ｑを非常に高応答で動作させることで、集光光学系８２の瞳面ＰＰに入射する複数の平行ビームＬＢの入射角度をそれぞれ制御する。これにより、造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を設定又は変更することができる。この場合、制御装置６００は、ビームと対象面ＴＡＳ（造形の目標部位ＴＡが設定される面であり、本実施形態ではワークＷ上の面である）との相対移動中に造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布、例えばビームの照射領域の形状、大きさ、個数の少なくとも１つを変化させることが可能である。この場合において、制御装置６００は、造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を連続的、あるいは断続的に変更することができる。制御装置６００は、ビームと対象面ＴＡＳとの相対位置に応じて造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を変化させることもできる。制御装置６００は、要求される造形精度とスループットとに応じて、造形面ＭＰにおけるビームの強度分布を変化させることもできる。

　また、本実施形態では、制御装置６００が、前述したロータリエンコーダ８３_ｐ,ｑを用いて、各ミラー素子の状態（ここでは反射面の傾斜角度）を検出し、これにより各ミラー素子の状態を、リアルタイムでモニタしているので、ミラーアレイ８０の各ミラー素子の反射面の傾斜角度を正確に制御できる。

　なお、造形面に形成される照射領域の形状、及び大きさを可変にしないのであれば、ミラーアレイ８０に代えて、所望の形状のソリッドなミラーを用いて、集光光学系８２の瞳面に入射する１つの平行ビームの入射角度を制御して、照射領域の位置を変更することもできる。

　図４には、図２の集光光学系８２（鏡筒８５）及びその下方の部分が－Ｙ方向から見て示されている。また、図５には、図２における鏡筒８５及びその下方の部分が、ワークＷ上の対象部位ＴＡ近傍部分とともに拡大して示されている。材料供給部５３０は、図４に示されるように、集光光学系８２の終端レンズ８２ａの中空部ＴＨ内に光軸ＡＸに沿って配置されたＺ軸方向に延びる供給管８４と、供給管８４の一端（上端）に配管９０ａを介して接続された材料供給装置８６と、を有している。供給管８４の他端（下端）には、材料供給口８４ａが形成され、材料供給口８４ａは、カバー部材３０内部の第１空間３０ａ内に配置されている。

　供給管８４は、図４に示されるように、終端レンズ８２ａの中空部内に配置され、供給管８４の外周面と終端レンズ８２ａの中空部ＴＨ内面との間の隙間が、シール部材８９によってシールされている。このため、図５に示されるように、終端レンズ８２ａ下方のカバー部材３０内部の第１空間３０ａは、終端レンズ８２ａ上方の鏡筒８５内部の空間（第２空間）８５ａとは、分離されており、第１空間３０ａから第２空間８５ａへの気体の流入が阻止されている。

　カバー部材３０は、図５に拡大して示されるように、中空の円錐状の部材（外面及び内面に円錐面を有するほぼ均一な厚さの板部材）から成り、その底面（図５における上側の面）に平面視円環状の取付部３１が設けられている。取付部３１は、内径がカバー部材３０の底面より小さく（終端レンズ８２ａの外径より僅かに大きく）、外径がカバー部材３０の底面より僅かに大きい円環状の板部材から成る。カバー部材３０は、取付部３１を介して鏡筒８５の下端面に固定されている。すなわち、カバー部材３０は、鏡筒８５に吊り下げ支持されている。カバー部材３０の先端部（図５における下端部）には、その先端に、対象面ＴＡＳに照射されるビーム（ＬＢ_１、ＬＢ_２）の出口３０ｂが形成されている。なお、カバー部材３０の外面は、円錐面でなくても良く、厚さが均一な板部材でなくても良い。

　図４に戻り、材料供給装置８６は、内部に、造形材料ＰＤが収容されたカートリッジを有し、カートリッジ内の造形材料ＰＤを、配管９０ａ及び供給管８４を介して材料供給口８４ａから出口３０ｂに向かって例えば自由落下させたり、あるいは所定の圧力で押し出すことで落下させたりして、光軸ＡＸに沿って対象面上に供給する。このように造形材料ＰＤを自由落下させる場合、通常、造形材料は、下に行くほど（カバー部材３０の先端に近づくほど）拡散し、供給管８４の下端から対象面ＴＡＳまでの距離が所定距離以上あると、出口３０ｂより広い面積の領域にまで拡散する。これでは、造形材料ＰＤをビームＬＢ_１、ＬＢ_２で溶融させても、対象面上で微細な造形は困難となる。

　そこで、本実施形態では、カバー部材３０の内面３０ｃの円錐形状を利用し、その円錐状の内面３０ｃに沿って図５中に符号ＳＦで示される螺旋状の旋回流を生じさせるように、不活性ガスの一種である窒素Ｎ_２をカバー部材３０の内部空間（第１空間）３０ａに供給する前述のガス供給装置４０（図６参照）が設けられている。なお、ガス供給装置４０は、窒素に代えて、不活性ガスの一種である希ガス（例えばヘリウム、ネオン、アルゴンなど）、窒素と少なくとも１種類の希ガスとの混合ガス、あるいは複数種類の希ガスの混合ガスを第１空間３０ａ内に供給しても良い。

　カバー部材３０の上端部近傍には、図５に示されるガス供給管４２を接続するための開口３０ｄが形成されている。開口３０ｄには、ガス供給管４２の一端が接続されている。これをさらに詳述すると、ガス供給管４２の一端は、カバー部材３０の壁に対して平面視（上方から見て）鋭角で交差するように、例えばカバー部材３０の周壁の接線方向にカバー部材３０に形成された開口３０ｄに外側から挿入され、ガス供給管４２の先端のガス供給口４２ａがカバー部材３０内部の第１空間３０ａ内に露出している。この場合、ガス供給口４２ａは、カバー部材３０の高さ方向の中央より上部に位置している。また、ガス供給口４２ａは、材料供給口８４ａよりも高い位置に位置している。

　また、ガス供給管４２の一端部は、開口３０ｄに挿入された状態で一端側が他端側に比べて低くなるようにＸＹ平面に対して僅かに傾斜している。すなわち、上述の開口３０ｄは、平面視でカバー部材３０の周壁に対して鋭角で交差し、かつＸＹ平面に対して僅かに傾斜する向きで、カバー部材３０に形成されている。

　ガス供給管４２の他端は、ガス供給装置４０（図６参照）に接続されている。このため、ガス供給装置４０の作動状態では、ガス供給管４２のガス供給口４２ａを介して、カバー部材３０の円錐状の内面３０ｃに実質的に沿って、例えばカバー部材３０の内面３０ｃの接線方向に実質的に沿って、窒素Ｎ_２（不活性ガス）が第１空間内３０ａ内に送り込まれ、その送り込まれた窒素Ｎ_２は、図５に符号ＳＦで示されるようなカバー部材３０の内面３０ｃに沿った光軸ＡＸの周りの螺旋状の旋回流（循環による旋回流）となってカバー部材３０の出口３０ｂに向かって流れ、出口３０ｂから第１空間３０ａの外部に流出する。この場合の旋回流ＳＦは、流速が中心に近付くほど速くなるので、（粘性影響が強くなる中心の極近傍を除いて）ベルヌーイの定理により中心に近付くほど静圧は低くなる。また、カバー部材３０の内面３０ｃの直径は、下に行くほど（カバー部材３０の出口３０ｂに近づくほど）小さい。従って、カバー部材３０は、流体を加速させる収束ノズル（コンバージェント・ノズル）として機能し、狭い部分（カバー部材３０の先端部）に近づく程、カバー部材３０の内部を流れるガスの流速は速く、圧力は低くなる。従って、旋回流ＳＦにおける静圧は、カバー部材３０の出口３０ｂの位置の中心部で最も低くなる。このため、供給管８４から真下に落下する粉状の造形材料ＰＤは、下に行くほど（カバー部材３０の出口３０ｂに近づくほど）、窒素Ｎ_２（不活性ガス）の旋回流によってカバー部材３０の内面３０ｃの形状に対応して細く絞られる。したがって、ガス供給装置４０の作動状態では、供給管８４から供給される粉状の造形材料ＰＤをほぼ一点（ここでは、光軸ＡＸ上の点）に収束させることができ、造形材料ＰＤをビームＬＢ_１、ＬＢ_２で溶かすことによって、優れた造形精度、高分解能を確保した３次元造形物の作製が可能となる。本実施形態に係るガス供給装置４０は、第１空間３０ａ内に送り込む不活性ガスの温度、流速等を調整可能である。

　なお、カバー部材３０に設けられた開口３０ｄをガス供給口としても良い。この場合、ガス供給管４２の先端は、第１空間３０ａに露出しないようにカバー部材３０の開口３０ｄに接続すれば良い。

　また、ガス供給口４２ａ（開口３０ｄ）を、カバー部材３０の高さ方向の中央より下方に配置しても良い。また、ガス供給口４２ａ（開口３０ｄ）を、材料供給口８４ａよりも下方に配置しても良い。

　なお、上述の説明から明らかなように、本実施形態では、出口３０ｂを介して射出されたビームＬＢ_１、ＬＢ_２によって、造形面ＭＰにおけるビームの照射領域が形成されるので、造形面に形成される照射領域の形状、大きさ、あるいは位置の変更ができる範囲は、出口３０ｂの形状及び大きさで制限される。

　また、本実施形態では、図５から明らかなように、ガス供給口４２ａが、終端レンズ８２ａの下面とほぼおなじ高さの位置に設けられているので、高速の不活性ガス流によって終端レンズ８２ａの下面がガスパージされ、終端レンズ８２ａを汚染（材料供給口８４ａからの造形材料の付着を含む）から守ることが可能になる。加えて、終端レンズ８２ａは、カバー部材３０によって物理的に保護されているで、カバー部材３０外部雰囲気中の汚染物質による汚染から守られている。

　説明が前後したが、ここで材料供給装置８６について説明する。材料供給装置８６は、例えば２つの粉末カートリッジを有し、２つの粉末カートリッジのそれぞれには、第１の造形材料（例えばチタン）、第２の造形材料（例えばステンレス）の粉末が収容されている。なお、本実施形態では、材料供給装置８６は、２種類の造形材料を供給するために２つの粉末カートリッジを備えているが、材料供給装置８６が備える粉末カートリッジは１つでも良い。

　本実施形態では、材料供給装置８６は、制御装置６００に接続されており（図６参照）、造形時に、制御装置６００からの指示に応じ、材料供給装置８６（内部のコントロールユニット）によって、２つの粉末カートリッジの一方が選択され、その選択された粉末カートリッジからの造形材料が、配管９０ａを介して供給管８４に供給される。なお、材料供給装置８６の構成を変更することで、必要な場合に一方の粉末カートリッジからの第１の造形材料と他方の粉末カートリッジからの第２の造形材料との混合物を、配管９０ａを介して供給管８４に供給できる構成としても良い。

　制御装置６００は、材料供給装置８６によって選択された粉末カートリッジから供給管８４に供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整可能である。供給管８４に供給される造形材料の単位時間あたりの供給量の調整は、粉末カートリッジからの粉末の取得に際し、粉末カートリッジの外部を内部に対して負圧にするが、その負圧のレベルを調整すること、あるいは材料供給装置８６から配管９０ａに供給される粉末の量を調整するバルブを設け、そのバルブの開度を調整すること、等により行うことができる。

　本実施形態では、輪帯状の平行ビームがミラーアレイ８０に照射されるので、ミラーアレイ８０からの反射ビームは、集光光学系８２の周縁近傍の部分領域（Ｎ．Ａ．が大きな部分領域）に入射し、集光光学系８２の射出端、すなわちビーム照射部５２０の射出端に位置する終端レンズ８２ａの光軸ＡＸから離れた周縁部の領域を介して集光光学系８２の造形面ＭＰ（本実施形態では集光光学系８２の後側焦点面に一致）に集光される（図２参照）。すなわち、同一の集光光学系８２の周縁近傍の部分を通る光のみによって、例えばビームスポットが形成される。このため、別々の光学系を介した光を同一領域に集光してビームスポット（レーザスポット）を形成する場合に比べて、高品質なビームスポットの形成が可能である。また、本実施形態では、集光光学系８２の終端レンズ８２ａの中空部ＴＨ内に配置された供給管８４及び供給管８４の上端に一端が接続された配管９０ａへのビームの照射を制限することができる。このため、本実施形態では、ミラーアレイ８０からの反射ビームを全てスポットの形成に利用することが可能になるとともに、集光光学系８２の入射面側の供給管８４に対応する部分にビームが供給管８４に照射されるのを制限するための遮光部材等を設ける必要がなくなる。かかる理由により、輪帯状の平行ビームによりミラーアレイ８０を照明することとしている。

　なお、集光光学系８２から供給管８４に入射するビームを制限するために、例えば図４に二点鎖線で示される制限部材９２を集光光学系８２の入射面側（例えば瞳面ＰＰ）に設けても良い。制限部材９２によって、集光光学系８２からのビームの供給管８４への入射を制限する。制限部材９２としては、遮光部材を用いても良いが、減光フィルタ等を用いても良い。かかる場合において、集光光学系８２に入射する平行ビームは、断面円形の平行ビームであっても良いし、輪帯状の平行ビームであっても良い。後者では、ビームが制限部材９２に照射されることがないので、ミラーアレイ８０からの反射ビームを全てスポットの形成に利用することが可能になる。

　本実施形態では、ワークに対する付加加工時等には、図２及び図５に示されるように、集光光学系８２（終端レンズ８２ａ）の周縁部近傍を通過し供給管８４の＋Ｙ側及び－Ｙ側（ワークＷ（テーブル１２）のスキャン方向の前方及び後方）の光路を通るビーム（図２、図５に便宜上ビームＬＢ１_１、ＬＢ１_２として示されている）が供給管８４の真下に集光されて、ビームスポットが造形面上に形成され、そのビームスポットを形成するスポットビームに対して供給管８４を介して粉末状の造形材料ＰＤが光軸ＡＸに沿ってカバー部材３０の出口３０ｂを通って供給される。これにより、供給管８４の真下に溶融池ＷＰが形成される。そして、かかる溶融池ＷＰの形成がテーブル１２をスキャン方向（図５では＋Ｙ方向）に走査しながら行われる。これにより、所定幅（ビームスポットの幅）で所定長さのビード（溶融凝固した金属）ＢＥを形成することが可能である。なお、図５に示されるビームＬＢ_１、ＬＢ_２は、ミラーアレイ８０の異なるミラー素子８１_ｐ．ｑでそれぞれ反射され集光光学系８２の瞳面ＰＰに異なる入射角度で入射した別々の平行ビームであっても良いし、同一の平行ビーム、例えば断面輪帯状の平行ビームの一部であっても良い。

　複数の平行ビームを集光光学系８２の瞳面ＰＰに入射させる場合において、例えば集光光学系８２に入射する平行ビームＬＢの数を減らさずに、ビームのＸ軸方向の幅、又はＹ軸方向の幅、又はＸ軸方向の幅及びＹ軸方向の幅が徐々に狭まるように、集光光学系８２に入射する複数の平行ビームＬＢの入射角度の調整を行った場合、ビームの集光密度（エネルギー密度）が高くなる。したがって、それに応じて、単位時間当たりの粉末（造形材料）の供給量を増やし、かつ対象面ＴＡＳのスキャン速度を上げることで、形成されるビードＢＥの層の厚さを一定に保つとともに、スループットを高いレベルで保つことが可能になる。ただし、かかる調整方法に限らず、他の調整方法を用いて、形成されるビードＢＥの層の厚さを一定に保つこともできる。例えば、ビームのＸ軸方向の幅、又はＹ軸方向の幅、又はＸ軸方向の幅及びＹ軸方向の幅に応じて複数のレーザユニットのうちの少なくとも１つのレーザ出力（レーザビームのエネルギ量）を調節しても良いし、ミラーアレイ８０から集光光学系８２に入射する平行ビームＬＢの数を変更しても良い。この場合、上述した調整方法に比べて、スループットは幾分低下するが、調整が簡便である。

　図６には、造形システム１００の制御系を中心的に構成する制御装置６００の入出力関係を示すブロック図が示されている。制御装置６００は、ワークステーション（又はマイクロコンピュータ）等を含み、造形システム１００の構成各部を統括制御する。

　上述のようにして構成された本実施形態に係る造形システム１００の基本的機能は、既存の部品（ワーク）に対し、三次元造形により所望の形状を付け加えることである。ワークは造形システム１００に投入され、所望の形状を正確に付け加えられた後に造形システム１００から搬出される。このとき、その付け加えられた形状の実際の形状データは、制御装置６００から外部の装置、例えば上位装置に送られる。造形システム１００で行われる一連の動作は、大略次の通りである。

　まず、テーブル１２が、所定のローディング／アンローディングポジションにあるときに、ワーク搬送系３００によってワークがテーブル１２に搭載される。このとき、テーブル１２は、基準状態（Ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）＝（Ｚ_０、０、０、０）にあり、そのＸＹ位置は、位置計測系２８によって計測されている駆動機構１１のスライダのＸ、Ｙ位置と一致している。

　次いで、制御装置６００により、ワークＷを搭載したテーブル１２が計測装置４００の下方に移動される。テーブル１２の移動は、制御装置６００が位置計測系２８の計測情報に基づいて、平面モータ２６を制御して、スライダを床面（又はベース）上でＸ軸方向（及びＹ軸方向）に移動することで行われる。この移動中も、テーブル１２は、前述した基準状態が維持されている。

　次に制御装置６００により、計測装置４００を用いて、基準状態にあるテーブル１２上のワークＷ上の対象面ＴＡＳの少なくとも一部の三次元空間内の位置情報（本実施形態では形状情報）の計測が行われる。これ以後は、この計測結果に基づき、ワークＷ上の対象面ＴＡＳの６自由度方向の位置は、テーブル座標系（基準座標系）上で、オープンループの制御により管理することが可能になる。

　次に制御装置６００により、対象面ＴＡＳの少なくとも一部の形状情報の計測が終了したワークＷを搭載したテーブル１２が、造形ヘッド部５００（カバー部材３０）の下方に移動される。

　次に、テーブル１２上のワークに３Ｄデータに対応する形状を付加する三次元造形による付加加工が行われる。この付加加工は、例えば次のようにして行われる。

　すなわち、制御装置６００は、付加加工により付加すべき形状（付加加工後に作られる物体の形状から付加加工の対象となるワークの形状を取り去った形状）の三次元ＣＡＤデータを三次元造形用のデータとして、例えばＳＴＬ（Stereo Lithography）データに変換し、更に、この三次元ＳＴＬデータから、Ｚ軸方向にスライスした各レイヤ(層)のデータを生成する。そして、制御装置６００は、各レイヤのデータに基づき、ワークに対する各層の付加加工を行うべく、移動装置２００及び造形ヘッド部５００を制御して、前述したビームスポットの形成、及びスポットビームに対する供給管８４からの造形材料ＰＤの供給による溶融池ＷＰの形成を、テーブル１２をスキャン方向に走査しながら行うことを、各層について繰り返し行う。ここで、付加加工時におけるワーク上の対象面の位置及び姿勢の制御は、先に計測した対象面の形状情報を考慮して行われる。

　ここで、上の説明では、ワークＷの付加加工の目標部位ＴＡが設定される対象面（例えば上面）ＴＡＳが、テーブル１２の傾きを調整することで、集光光学系８２の光軸に垂直な面（ＸＹ平面に平行な面）に設定される平面であることを前提とし、テーブル１２のスキャン動作を伴う造形が行われるものとしている。

　ワークＷに対する付加加工の終了後、制御装置６００により、付加加工済みのワークＷを搭載したテーブル１２が前述のローディング／アンローディングポジションに移動される。

　次いで制御装置６００により、ワーク搬送系３００に対し、ワークのアンロードが指示される。この指示に応じ、ワーク搬送系３００によって、付加加工済みのワークＷがテーブル１２上から取り出され、造形システム１００の外部に搬送される。そして、制御装置６００により、移動装置２００のテーブル１２が基準状態に設定される。これにより、移動装置２００は、ローディング／アンローディングポジションにて、次のワークの搬入に備えて待機することとなる。

　以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る造形システム１００では、スポット状のビームの照射領域（ビームスポット）を、造形の対象面ＴＡＳを位置合わせすべき造形面ＭＰ（例えば図２及び図５参照）上に形成し、そのビームスポットを形成するビーム（スポットビーム）に対してワークＷを相対走査しながら造形（加工処理）を行うことができる。造形システム１００では、造形の際に、テーブル１２のＹ軸方向への移動中に、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向、θｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向の少なくとも１つの方向にテーブル１２を移動することもできる。

　また、造形システム１００では、材料供給部５３０によって供給された粉状の造形材料（金属材料）ＰＤをレーザビームのエネルギにより溶融する。造形システム１００では、造形に際し、ガス供給装置４０が、制御装置６００によって作動され、ガス供給管４２のガス供給口４２ａを介して、カバー部材３０の内面３０ｃに沿った螺旋状の旋回流（図５に符号ＳＦ参照）が生じるようにカバー部材３０内に窒素（不活性ガス）が送り込まれる。この窒素（不活性ガス）の旋回流によって、供給管８４から真下に向けて自然落下により供給される粉状の造形材料ＰＤは、下に行くほど（カバー部材３０の先端に近づくほど）、カバー部材３０の内面３０ｃ（内壁面）の形状に対応して細く絞られる。これにより、供給管８４から供給される粉状の造形材料ＰＤをほぼ一点（ここでは、光軸ＡＸ上の点）に収束させることができ、造形材料ＰＤをビームＬＢ_１、ＬＢ_２で溶かすことによって、優れた造形精度、高分解能を確保した３次元造形物の作製が可能となる。

　また、本実施形態に係る造形ヘッド部５００では、高速の不活性ガス流によって終端レンズ８２ａの下面をガスパージすることができ、終端レンズ８２ａを汚染から守ることが可能になる。加えて、終端レンズ８２ａは、カバー部材３０によって物理的に保護されているので、カバー部材３０外部雰囲気中の汚染物質による汚染から守られる。この点において、造形精度の低下を防止することができる。

　また、本実施形態に係る造形ヘッド部５００では、集光光学系８２が、１又は複数枚の大口径のレンズによって構成されるので、入射光の面積を大きくすることができ、これにより、開口数Ｎ．Ａ．が小さい集光光学系を用いる場合に比べてより多量の光エネルギを取り込むことができる。したがって、本実施形態に係る集光光学系８２によって集光されたビームは、極めてシャープで高エネルギ密度を有することとなり、これにより、造形による加工精度を高めることができる。また、集光光学系８２が取り込むエネルギの総量が大きくなれば、集光光学系８２から射出されるビームのエネルギが大きくなり、単位時間に溶解できる金属の量が増える。その分、造形材料の供給量とテーブル１２の速度とを上げれば、造形ヘッド部５００による造形加工のスループットが向上する。

　また、本実施形態に係る造形ヘッド部５００では、例えば集光光学系８２に入射する複数の平行ビームの入射角度分布を制御することで、造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を設定又は変更することができる。

　したがって、本実施形態に係る造形システム１００では、例えばラピッドプロトタイピングにより造形物をワークＷの対象面ＴＡＳ上に高い加工精度でかつ高スループットで形成することが可能になる。

　また、本実施形態に係る造形システム１００は、複数、例えば２つの粉末カートリッジを有し、２つの粉末カートリッジそれぞれの内部には、第１の造形材料（例えばチタン）の粉末、第２の造形材料（例えばステンレス）の粉末が収容されている。そして、付加加工時（造形時）に、制御装置６００により、材料供給装置８６を用いた供給管８４に対する粉末の供給の切り換えが行われる。これにより、第１の造形材料（例えばチタン）の粉末と第２の造形材料（例えばステンレス）の粉末とが択一的に供給管８４に供給される。したがって、制御装置６００が供給する粉末材料を部位に応じて切り換えるだけで、異種材料の接合形状が容易に生成可能である。また、その切り換えはほぼ瞬時に行うことが可能である。更に異種材料を混合して供給することで「合金を」その場で作ってしまうことも、その組成を場所によって変えたりグラデーションにしたりすることも可能である。

　なお、上記実施形態では、終端レンズ８２ａの中空部ＴＨ内に配置された供給管８４の外周面と終端レンズ８２ａの中空部ＴＨ内面との間の隙間を、シール部材８９によってシールすることで、終端レンズ８２ａ下方のカバー部材３０内の空間（第１空間３０ａ）と、終端レンズ８２ａ上方の鏡筒８５内部の空間（第２空間８５ａ）とを、分離するものとしたが、これに代えて、あるいはこれに加えて、第１空間３０ａの内部に比べて第２空間８５ａの内部を陽圧に設定することとしても良い。この場合、第１空間３０ａと第２空間８５ａとの圧力差が維持できる程度に両空間が分離されていても良いが、第２空間８５ａから第１空間３０ａに向かって常時気体（不活性ガスなど）を噴き出していても良い。かかる場合にも、第１空間から第２空間内への気体の流入が阻止される。

　なお、上記実施形態では、ガス供給管４２から、水平より下方に向けて不活性ガスがガス供給口４２ａを介してカバー部材３０（第１空間３０ａ）内に供給されるものとしたが、これに限らず、水平方向に向けて不活性ガスがガス供給口４２ａを介してカバー部材３０内に供給されることとしても良い。

　また、カバー部材３０に開口を複数形成して、それぞれの開口にガス供給管４２を個別に接続しても良い。この場合、例えばカバー部材３０の円形の底面（図５における上側の面）において、中心角が等角度間隔となる位置にそれぞれガス供給管４２を接続可能となるように、複数の開口を形成しても良い。この場合、複数のガス供給管４２のそれぞれのガス供給口４２ａからカバー部材３０の内面３０ｃの接線方向に窒素Ｎ_２を供給することで、同一回り方向（時計回り又は反時計回り）の１つの旋回流を生じさせることとしても良い。

　また、カバー部材３０に開口を複数形成して、それぞれの開口にガス供給管４２を個別に接続する場合、少なくとも１つのガス供給管４２のガス供給口４２ａの光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）の位置（高さ方向の位置）を残りの少なくとも１つのガス供給口と異ならせても良い。この場合において、少なくとも１つのガス供給管４２のガス供給口４２ａから供給される不活性ガスは、温度、流速などが、残りの少なくとも１つのガス供給口から供給される不活性ガスと異なっていても良いし、不活性ガスの成分又は種類が異なっていても良い。不活性ガスの成分が異なるとは、不活性ガスが例えば複数種類の希ガスの混合ガスである場合に、その成分ガスが互いに異なるような場合を意味する。勿論、不活性ガスは、窒素と希ガスの混合ガスであっても良い。

　また、上記実施形態では、カバー部材３０の円錐状の内面３０ｃの接線方向に沿って不活性ガスを第１空間３０ａ内に供給することで、カバー部材３０の内面３０ｃに沿って螺旋状の旋回流（循環による旋回流）ＳＦを生じさせ、中心に近付くほど静圧は低くなること及び内面３０ｃの直径が出口３０ｂ側に向かって徐々に狭くなることを利用して、材料供給口８４ａから光軸ＡＸに沿って出口３０ｂに向かって供給される造形材料ＰＤを光軸上に収束させる場合について説明した。しかしながら、これに限らず、例えば図７に示されるように、複数のガス供給口４２ａを、カバー部材３０の全周に渡りほぼ等間隔で設け、この複数のガス供給口４２ａそれぞれから不活性ガスを供給することで、一端（上端）側から他端（下端）側に徐々に収束するカバー部材３０の内面３０ｃに沿って上側から下側に向かって流れる不活性ガスの流れＬＦを、複数、光軸の周囲全周に渡りほぼ等間隔で生じさせ、この複数の不活性ガスの流れＬＦによって、材料供給口８４ａから光軸ＡＸに沿って出口３０ｂに向かって供給される造形材料ＰＤを光軸上に収束させることとしても良い。なお、図７では、作図の便宜上等の理由から流れＬＦは２つのみ示されているが、複数のガス供給口４２ａのそれぞれに対応して流れＬＦは生じさせることができる。この場合、出口３０ｂ付近では、不活性ガスの流れはその開口断面の全面を流れ、中心部ほど流速が速く（静圧が低く）なるので、造形材料ＰＤを光軸上に収束させることが可能になる。この場合、カバー部材３０の内面３０ｃに、図７に示されるような複数のガイド部３３を設けても良い。これに限らず、ガイド部として、例えば、前述の旋回流ＳＦと同様の螺旋状のガイド溝が形成されるような凹凸部をカバー部材の内面３０ｃに形成しても良い。

　この他、ガス供給管４２の一端部のカバー部材３０に取付けられる部分が、ＸＹ平面に対してチルト可能となる構成を採用しても良い。

　なお、上記実施形態では、カバー部材３０が、中空円錐状の部材、すなわちフードのような部材である場合について例示したが、カバー部材は、Ｚ軸方向（光軸ＡＸと平行な方向）に関して出口３０ｂとは反対側から出口３０ｂ側に向かって収束する一部に曲面を含む形状、例えば円錐状又は楕円錐状の内面を有する部材であれば良く、その外観形状は特に問わない。

　また、上記実施形態では、造形ヘッド部５００が、集光光学系８２を有し、集光光学系８２の終端レンズ８２ａとして、光軸ＡＸを含むように貫通孔が形成された中抜きレンズが用いられる場合について説明したが、これに限らず、集光光学系の終端の光学素子は、貫通孔を有しない通常のレンズであっても良いし、レンズ以外のミラーなどであっても良い。また、造形ヘッド部５００が、集光光学系を有していなくても良い。集光光学系を有しない場合、ビーム照射部から、供給管からの造形材料の供給路に沿った軸（鉛直軸）に対して傾斜した光路を通るビームが射出されることとしても良い。

　なお、上記実施形態及び図７の変形例では、ガス供給管４２がカバー部材３０の周壁に外側から接続される場合について説明したが、これに限らず、カバー部材３０を介することなく、ガス供給管４２を第１空間３０ａ内に挿入しても良い。

　また、上記実施形態では、カバー部材３０を、取付部３１を介して鏡筒８５に取り付ける場合（鏡筒８５にカバー部材３０が吊り下げ支持される場合）について例示したが、カバー部材３０からの集光光学系８２の終端レンズ８２ａを含む高Ｎ．Ａ．の各光学素子への振動の伝達を抑制するため、鏡筒８５とカバー部材３０との間に防振部材（ゴムなど）を配置しても良いし、鏡筒８５とは異なる別の部材によって、カバー部材を支持することとしても良い。

　また、カバー部材３０が、鏡筒８５に対して可動であっても良い。

　なお、上記実施形態では、空間光変調器としてミラーアレイ８０を用いる場合について説明したが、これに代えて、ＭＥＭＳ技術によって作製されるデジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micromirror Device：ＤＭＤ（登録商標））を多数マトリクス状に配置して成る大面積のデジタル・ミラーデバイスを用いても良い。

　なお、上記実施形態では、集光光学系８２の瞳面に入射する複数の平行ビームの入射角度を個別に制御することにより造形面上でのビームの強度分布の変更を行う場合について説明したが、集光光学系８２の瞳面に入射する複数の平行ビームの全ての入射角度が制御（変更）可能でなくても良い。したがって、上記実施形態と同様にミラーアレイを用いて集光光学系８２に入射する平行ビームの入射角度を制御する場合などに、全てのミラー素子が反射面の状態（反射面の位置及び傾斜角度の少なくとも一方）を変更可能でなくても良い。また、上記実施形態の集光光学系８２に入射する複数の平行ビームの入射角度の制御に用いることができる反射型空間光変調器は、上述のミラーアレイに限られない。使用可能な反射型空間光変調器としては、例えば、反射型液晶表示素子、電気泳動ディスプレイ（ＥＰＤ：Electro Phonetic Display）、電子ペーパー（又は電子インク）、光回折型ライトバルブ（Grating Light Valve）等が例として挙げられる。

　また、造形面上でのビームの強度分布の変更を、集光光学系（投影光学系）の入射面側に配置されるマスクの開口（大きさ、形状、数）を変更することによって行っても良い。この場合、集光光学系の物体面にマスクを配置し、像面、またはその近傍を造形面とすれば良い。また、この場合、集光光学系の瞳面におけるビーム強度分布を、例えば輪帯状にしたり、あるいは光軸を含む円形領域を遮光する遮光部材を瞳面に配置したりすることによって、その集光光学系の終端レンズを中抜けレンズとすることもできる。

　また、上述したように、集光光学系８２は大口径であることが望ましいが、開口数Ｎ．Ａ．が０．５より小さい集光光学系を用いても良い。

　また、上記実施形態において、ビームの強度分布を管理するために、集光光学系８２の後側焦点面、又はその近傍に受光部を配置可能なセンサを造形システム１００が備えていても良い。例えば、テーブル１２上にＣＣＤイメージセンサを搭載し、該ＣＣＤイメージセンサにより、ビームの強度分布（造形面における照射領域内の強度分布）を適当な頻度でキャリブレーションすることが望ましい。このように、集光光学系８２からのビームを受光するセンサでビームの強度分布を計測することで、集光光学系８２の熱収差などの変動要因も加味されたビームの強度分布の管理が可能となる。また、その結果に基づいてミラーアレイ８０などを制御することによって、集光光学系８２の後側焦点面などにおけるビームの強度分布を所望状態に精度良く設定することができる。また、このセンサを使って基準座標系におけるビームの位置を管理するようにしても良い。

　なお、上記実施形態では、造形材料としてチタン、ステンレスの粉末を用いる場合につて例示したが、鉄粉その他の金属の粉末は勿論、ナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末など金属以外の粉末を用いることも可能である。

　なお、上記実施形態の造形システム１００において、カバー部材３０は、ビームの出口及び不活性ガスの出口、並びに造形材料の出口を兼ねる出口３０ｂとともに、溶融されなかった粉状の造形材料を回収する回収口（吸引口）を有していても良い。

　これまでは、既存のワークに形状を付け加える例について説明したが、本実施形態に係る造形ヘッド部５００を備えた造形システム１００の使用用途がこれに限られるものではなく、通常の３Ｄプリンタなどと同様に、テーブル１２上で何もないところから三次元形状を造形によって生成することも可能である。この場合は、「無」というワークに、付加加工を施すことに他ならない。かかるテーブル１２上での三次元造形物の造形の際には、制御装置６００は、計測装置４００が備えるマーク検出系５６（図６参照）により、テーブル１２上に予め形成された最低三か所のアライメントマークを光学的に検出することで、テーブル１２上に設定される造形の対象面の６自由度方向の位置情報を求め、この結果に基づいてビーム（の照射領域）に対するテーブル１２上の対象面の位置及び姿勢を制御しつつ、三次元造形を行えば良い。

　なお、上記実施形態では、一例として、制御装置６００が、移動装置２００、計測装置４００及び造形ヘッド部５００の構成各部を制御する場合について説明したが、これに限らず、造形システムの制御装置を、マイクロプロセッサ等の処理装置をそれぞれ含む複数のハードウェアにより構成しても良い。この場合において、移動装置２００、計測装置４００及び造形ヘッド部５００のそれぞれが処理装置を備えていても良いし、移動装置２００、計測装置４００及び造形ヘッド部５００のうちの２つを制御する第１処理装置と、残りの１つを制御する第２処理装置の組み合わせであっても良い。いずれの場合もそれぞれの処理装置が、上述した制御装置６００の機能の一部を受け持つことになる。あるいは、複数のマイクロプロセッサ等の処理装置と、これらの処理装置を統括的に管理するホスト・コンピュータとによって、造形システムの制御装置を構成しても良い。

　また、上述の各実施形態では、部材、開口、穴などの形状を、円形、矩形などを用いて説明している場合があるが、これらの形状に限られないことは言うまでもない。

　なお、上記実施形態で引用した全ての米国特許出願公開明細書及び米国特許明細書などの開示を援用して本明細書の記載の一部とする。

　以上説明したように、本発明に係る造形システム及び造形方法は、三次元造形物の形成に適している。

　３０…カバー部材、３０ａ…第１空間、３０ｂ…出口、３０ｃ…内面、３３…ガイド部４０…ガス供給装置、４２ａ…ガス供給口、８２…集光光学系、８２ａ…終端レンズ、８４…供給管、８４ａ…材料供給口、８５…鏡筒、８５ａ…第２空間、８９…シール部材、１００…造形システム、２００…移動装置、５２０…ビーム照射部、５３０…材料供給部、６００…制御装置、ＡＸ…光軸、ＬＢ_１，ＬＢ_２…ビーム、ＰＤ…造形材料、ＳＦ…旋回流、ＴＡ…目標部位、ＴＡＳ…対象面、ＴＨ…貫通孔。

Claims

　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、
　軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、
　材料供給口を有し、前記ビーム照射部からのビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給する材料供給部と、
　一端側から他端側に徐々に収束する内面を有し、前記他端に前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、
　前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、
　前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に供給される造形システム。
　前記不活性ガスは、旋回流となって、前記カバー部材の内面に沿って前記出口に向かって流れる請求項１に記載の造形システム。
　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、
　軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、
　材料供給口を有し、前記ビーム照射部からのビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給する材料供給部と、
　前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、
　前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、
　前記不活性ガスは、旋回流となって、前記カバー部材の内面に沿って前記出口に向かって流れ、
　前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に供給される造形システム。
　前記不活性ガスは、前記軸の周りを旋回流となって、前記出口に向かって流れる請求項２又は３に記載の造形システム。
　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、
　軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、
　材料供給口を有し、前記ビーム照射部からのビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給する材料供給部と、
　前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、
　前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、
　前記不活性ガスは、前記軸の周りを旋回流となって、前記出口に向かって流れ、
　前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に供給される造形システム。
　前記旋回流が形成されるように、前記ガス供給口から前記不活性ガスを供給する請求項２～５のいずれか一項に記載の造形システム。
　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形システムであって、
　軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出するビーム照射部と、
　材料供給口を有し、造形材料としての紛体を前記軸に沿って供給する材料供給部と、
　前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材と、
　前記カバー部材内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給するガス供給装置と、を備え、
　前記不活性ガスが、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形システム。
　前記ガス供給口は、前記カバー部材の高さ方向の中央より上部に位置する請求項１～７のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記ガス供給装置は、前記カバー部材の前記内面に実質的に沿って前記不活性ガスを前記ガス供給口から前記空間内に供給する請求項１～８のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記カバー部材の前記内面は、少なくとも一部に曲面を含み、
　前記ガス供給装置は、前記曲面の接線方向に実質的に沿って前記不活性ガスを前記供給口から前記空間内に供給する請求項９に記載の造形システム。
　前記ガス供給装置は、水平より下方に向けて前記不活性ガスを前記ガス供給口を介して前記空間内に供給する請求項９又は１０に記載の造形システム。
　前記ビーム照射部は、集光光学系を有する請求項１～１１のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記集光光学系は、前記軸に対して傾斜した光路を通過する前記ビームを射出する終端レンズを有し、
　前記軸は、前記終端レンズの光軸とほぼ平行である請求項１２に記載の造形システム。
　前記ガス供給口は、前記軸の方向において、前記終端レンズの射出面とほぼ同じ位置にある請求項１３に記載の造形システム。
　前記終端レンズには、前記光軸を含むように貫通孔が形成されている請求項１３又は１４に記載の造形システム。
　前記材料供給部は、前記終端レンズの前記貫通孔内に配置された、前記造形材料の供給管を有する請求項１５に記載の造形システム。
　前記供給管と前記終端レンズとの間は、シール部材でシールされている請求項１６に記載の造形システム。
　前記材料供給口は、前記カバー部材の前記出口と前記終端レンズとの間に配置されている請求項１３～１７のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記終端レンズを保持する保持部材を有し、前記保持部材内部の空間は、前記カバー部材内部の空間に対して陽圧である請求項１３～１８のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記終端レンズを保持する保持部材を有し、
　前記カバー部材は、前記保持部材に保持されている請求項１３～１８のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記材料供給口は、前記軸上に配置されている請求項１～２０のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記カバー部材の前記出口は前記軸上に配置されており、
　前記材料供給口から供給された前記造形材料は、前記軸に沿って前記出口に向かって流れる請求項２１に記載の造形システム。
　前記軸の方向において、前記ガス供給口は、前記材料供給口と異なる位置に配置されている請求項１～２２のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記軸の方向において、前記ガス供給口は、前記材料供給口よりも前記出口から離れている請求項２３に記載の造形システム。
　前記ガス供給装置は、第１ガス供給口としての前記ガス供給口を有し、
　前記ガス供給装置は、前記カバー部材内部の空間内に不活性ガスを供給可能な第２ガス供給口を有する請求項１～２４のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記第２ガス供給口の前記軸の方向の位置は、前記第１ガス供給口の前記軸の方向の位置と異なる請求項２５に記載の造形システム。
　前記第２ガス供給口の前記軸周りの方向の位置は、前記第１ガス供給口の前記軸周りの方向の位置と異なる請求項２５又は２６に記載の造形システム。
　前記カバー部材の前記内面には、前記不活性ガスの流れをガイドするガイド部が設けられている請求項１～２７のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記カバー部材の前記内面は、前記軸と平行な方向に関して前記出口とは反対側から前記出口側に向かって収束する円錐状又は楕円錐状の面である請求項１～２８のいずれか一項に記載の造形システム。
　前記対象面と前記ビームとを相対的に移動する移動装置と、
　前記対象面と前記ビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料供給口から供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面上に形成する三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記移動装置と前記ビーム照射部からの前記ビームの照射状態とを制御する制御装置と、をさらに備える請求項１～２９のいずれか一項に記載の造形システム。
　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、
　ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、
　前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、
　一端側から他端側に徐々に収束する内面を有し、前記他端に前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、
　前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法。
　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、
　ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、
　前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、
　前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、
　前記不活性ガスは、旋回流となって、前記カバー部材の内面に沿って前記出口に向かって流れ、
　前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法。
　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、
　ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、
　前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、
　前記光路の少なくとも一部を囲むように配置された内面を有し、前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、
　前記不活性ガスは、前記軸の周りを旋回流となって、前記出口に向かって流れ、
　前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法。
　ビームを用いて対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、
　ビーム照射部から軸に対して傾斜する光路を通るビームを射出することと、
　前記ビームで照射される粉状の造形材料を前記軸に沿って供給することと、
　一端側から他端側に徐々に収束する内面を有し、前記他端に前記ビーム照射部からのビームが通過する出口が形成されたカバー部材の内部の空間内にガス供給口を介して不活性ガスを供給することと、を含み、
　前記不活性ガスは、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外に流れ、
　前記造形材料は、前記カバー部材の前記出口を介して前記空間の外の前記対象面に供給される造形方法。