JP2011021218A

JP2011021218A - 積層造形用粉末材料及び粉末積層造形法

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Publication number: JP2011021218A
Application number: JP2009165805A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kyogoku; 秀樹京極; Hironobu Yoshida; 浩伸吉田; Tadashi Hagiwara; 正萩原
Original assignee: Kinki University; Aspect Inc
Current assignee: Kinki University; Aspect Inc
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】金属製の製品、または、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途の実用的な試作品を直接焼結することが可能な積層造形用粉末材料を提供する。
【解決手段】粉末材料の薄層15aにレーザ光を選択的に照射して薄層15aを焼結又は溶融・固化させ、焼結又は溶融・固化した薄層15bを繰り返し積層して３次元造形物を作製する積層造形に使用される積層造形用粉末材料であって、粉末材料15は、アルミニウム（Al）、アルミニウム合金、又は、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物からなる主粉末とレーザ吸収剤とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層造形用粉末材料及び粉末積層造形法に関し、より詳しくは、粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射して焼結又は溶融・固化し、その焼結又は溶融・固化した薄層を多層に積層して３次元造形物を作製する積層造形に用いる積層造形用粉末材料及び粉末積層造形法に関する。

近年、形状モデル、機能試験用試作部品、或いは少量多品種の製品に使用される部品や製品等を造形することができる積層造形法への要望が増えてきつつある。この要求を満たす積層造形法の一つとして粉末焼結積層造形法があり、さまざまな用途で使用されている。

粉末焼結積層造形法は、粉末材料を用いた積層造形法で、その造形法では、粉末材料の薄層を形成し、作成すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、粉末材料の薄層ごとにレーザ光により選択的に加熱して特定領域だけを焼結し、これを数百層或いは数千層にわたって積層して３次元造形物を作製する。

粉末材料として主に樹脂粉末が用いられ、レーザ光としてCO₂レーザ光源から発生する波長10.6μmのレーザ光が用いられている。

下記特許文献にはこのような粉末焼結積層造形法が記載されている。

樹脂粉末を焼結して作製された３次元造形物は、主に最終製品の形状を確認するための形状モデルとして用いられたり、製品を鋳造する金型を作製するための鋳型として用いられたりしている。

特開２００８−１５５５３８号公報

ところで、近年、粉末焼結積層造形法で、直接、実用的な試作品や製品を作製したいとの要望が高まっているが、金属製の製品の場合、または、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途の試作品の場合、樹脂粉末を焼結したものではその要望に応えることが難しい。

本発明は、上述の問題点に鑑みて創作されたものであり、金属製の製品、または、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途の実用的な試作品を直接焼結することが可能な積層造形用粉末材料及び粉末積層造形法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の一観点によれば、粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射して前記薄層を焼結又は溶融・固化させ、該焼結又は溶融・固化した薄層を繰り返し積層して３次元造形物を作製する積層造形に使用される積層造形用粉末材料であって、前記粉末材料は、アルミニウム（Al）、アルミニウム合金、又は、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物からなる主粉末とレーザ吸収剤とを含むことを特徴とする積層造形用粉末材料が提供される。

本発明の他の一観点によれば、減圧中、又は不活性ガス中で、上述の粉末材料を用いて該粉末材料の薄層を形成する工程と、前記減圧中、又は不活性ガス中で、前記薄層に、レーザ光を選択的に照射して該薄層を焼結又は硬化させる工程とを順次繰り返して３次元造形物を作製することを特徴とする粉末焼結積層造形法が提供される。

本発明の一観点の積層造形に使用される粉末材料によれば、粉末材料はアルミニウムを主成分とする主粉末にレーザ吸収剤を含み、本発明の他の一観点の粉末積層造形方法によれば、減圧中、又は不活性ガス中で、粉末材料の薄層を形成し、その薄層にレーザ光を選択的に照射してその薄層を焼結又は溶融・固化させている。

これにより、粉末材料にレーザ光を照射し、加熱焼結するときに粉末材料の酸化や窒化が防止できる。しかも、主粉末が反射率が高く、かつ熱伝導率のよいアルミニウムを主成分とするものであっても、レーザ吸収剤がレーザ光を吸収して加熱されるため、その熱が周囲の主粉末に伝わって主粉末が効率良く加熱されるとともに主粉末の温度低下が抑制される。したがって、主粉末の温度が高くかつより長く保持されるため、隣接する主粉末同士が溶融し合い、繋がるようになり、より強固な3次元造形物を作製することができる。

よって、その３次元造形物をアルミニウム製の製品として使用可能である。また、その３次元造形物は、アルミニウムが主体であるため、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途や、高い熱伝導率を有するため発熱体の近くに設置する用途の製品に対する実用的な試作品として有用である。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る積層造形用粉末材料を使用する積層造形装置のうち、造形部の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI-I線に沿う断面と、造形部の上方に配置されたレーザ光出射部を示す図である。本発明の実施形態に係る積層造形用粉末材料を使用する積層造形装置のうち、レーザ光出射部の詳細な構成を示すブロック図である。（ａ）は、本発明の実施形態に係る積層造形用粉末材料を使用する積層造形装置における焼結領域（特定領域）と、コントローラに設定された焼結領域内を焼結又は溶融・固化する走査線（走査経路）を示す図であり、（ｂ）は、コントローラに設定された焼結領域周縁を焼結又は溶融・固化する走査線（走査経路）を示す図である。本発明の実施形態に係る積層造形用粉末材料の主成分であるアルミニウムの光吸収特性を示すグラフである。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係るAl-12Si粉末材料の焼結実験による種々の焼結状態を示す図であり、（ａ）は線状に焼結又は固化された状態を示し、（ｂ）は球状及び線状の焼結又は固化が混在している状態を示し、（ｃ）は焼結又は固化が球状になった状態を示す。（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るAl-12Si粉末材料を酸素濃度３％の条件下で焼結又は溶融・固化した実験結果を示すグラフであり、（ａ）はレーザ吸収剤を１％添加した場合の結果を示し、（ｂ）はレーザ吸収剤を２％添加した場合の結果を示す。（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るAl-12Si粉末材料を酸素濃度１％の条件下で焼結又は溶融・固化した実験結果を示すグラフであり、（ａ）は１％のレーザ吸収剤を添加した場合の結果を示し、（ｂ）は２％のレーザ吸収剤を添加した場合の結果を示す。

（発明に至るまでの経緯）
樹脂粉末を利用した造形法で作製された造形物は、形状モデルとして形状などの確認はできても、金属製の製品の代用にはならないし、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途の製品に対する実用的な試作品としての利用は難しい。

従来、金属粉末を用いた積層造形法が種々開発されてきた。金属粉末を用いたレーザ積層造形法として、最初、アメリカのテキサス大学で選択的レーザ焼結法（SLS：Selective Laser Sintering）が提案され、DTM社（現３Ｄシステムズ社）によって実用化された。この方法では、金属粉末にコーティング材或いはバインダを混合してレーザで溶融し固着させてグリーン体を造形し、その後炉内で焼結した後、ブロンズなどを浸透させて造形物を作製する。この方法では、造形後に焼結という後処理が必要なため、焼結後に造形物が収縮するという問題が生じる。また、材料など条件によっては焼結自体が難しいという問題がある。

そこで、近年、後処理を必要としない造形法であるレーザ溶融積層造形法（SLM：Selective Laser Melting）が開発された。この方法はレーザキュージングと呼ばれ、金属粉末を完全に溶かしてビード状にし、それを並べて積層する方法である。金属粉末を完全に溶融し固化するため、高密度な造形物を得ることができる。また、レーザの代わりに電子ビームを利用した電子ビーム溶融法も開発されている。この方法では、高真空中で造形を行うため、使用する装置は高価になるが、造形物が酸化や窒化の影響を受けず、緻密なものが得られる。他には、積層造形技術にマシニングセンタを組み合わせた金属光造形複合加工機が開発されている。この装置を用いた造形法では、造形途中にミリングによる切削仕上げ工程を設けて造形後の処理を無くすとともに、造形物の寸法精度を上げている。

一方、粉末焼結積層造形法においては、現在まで使用可能な粉末材料はステンレス鋼やブロンズ鋼に限られており、アルミニウムやチタンなどは造形が困難なため用いられていない。これは、アルミニウムやチタンなどは、酸素や窒素との反応性が高いため、レーザによる焼結中に材料の酸化や窒化が起こり、出来上がった焼結体が非常に脆くなるという問題があるためである。

本願発明者は、特に、軽量でかつ熱伝導性が良いが、反射率が高いアルミニウム粉末を粉末積層造形法の粉末材料として使用できるようにするため種々の実験を行った結果、実用的なレベルで使用可能な粉末材料及び粉末積層造形法を提案できるに至った。

すなわち、焼結中に酸化や窒化の影響を受けやすいという問題については、減圧中或いは不活性ガス（Ar及びHeのいずれか一からなる）中で焼結を行うことで解決できた。また、本願発明者の実験において、アルミニウム粉末では、アルミニウム自体の高い熱伝導性のため、レーザ光を走査しながら焼結した場合隣りあう粉末材料同士がつながるように溶融させることが難しく、そのため焼結体の強度を保ちにくいという新たな問題が生じたが、粉末材料にレーザ吸収剤を添加することでその問題を解決できた。さらに、粉末材料にレーザ吸収剤を添加することで、反射率が高いため加熱しにくい不利を補って、レーザ光のエネルギをアルミニウム粉末材料の加熱のための熱エネルギに効率よく変換できるようになった。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（１）積層造形装置の構成
本発明の実施形態に係るアルミニウムを主体とする粉末材料を使用する積層造形装置は、レーザ光出射部と、造形部と、制御部とから構成されている。少なくとも造形部は、減圧中、又は不活性ガス (Ar及びHeの少なくともいずれか一からなる)中に設置できるようになっている。

図１（ａ）は、その積層造形装置のうち、造形部101の構成を示す上面図である。図１（ａ）ではレーザ光出射部と制御装置は図示していない。図１（ｂ）は、図１（ａ）のI-I線に沿う断面図で、同図には、造形部101のほかに、その上方に配置されているレーザ光出射部102も示している。

図２は、その積層造形装置のうち、レーザ光出射部102の構成を示すブロック図である。

図３（ａ）は、その積層造形装置における焼結領域（特定領域）と、コントローラに設定された焼結領域内を焼結又は溶融・固化する走査線（走査経路）を示す図である。図３（ｂ）は、コントローラに設定された焼結領域の周縁を焼結する走査線（走査経路）を示す図である。

以下に、その積層造形装置における各部の詳細について説明する。

（ａ）レーザ光出射部102の構成
レーザ光出射部102は、図２に示すように、レーザ光源23と、光学系21、22と、ＸＹＺドライバ24とを備えている。

レーザ光源23は、波長1.06μmのレーザ光を出射するYAGレーザ光源、あるいは、波長1.07μmのレーザ光を出射するファイバレーザ光源などが用いられる。又は、波長10.6μmのレーザ光を出射するCO2レーザ光源を用いてもよい。

光学系21は、レーザ光に対する角度を変化させてレーザ光をＸ方向に走査するガルバノメータミラー（Ｘミラー）21a、及びレーザ光に対する角度を変化させてレーザ光をＹ方向に走査するガルバノメータミラー（Ｙミラー）21bで構成される。光学系22は、Ｘ方向及びＹ方向に走査されるレーザ光の動きに従って移動し、レーザ光の焦点距離を粉末材料の薄層の表面にあわせるレンズを備えている。

また、ＸＹＺドライバ24は、光学系21のＸミラー21a及びＹミラー21bを動作させ、かつ光学系22のレンズを動作させる制御信号を送出する。

レーザ光は、後述するコントローラ25からの制御信号によりＸＹＺドライバ24を介して光学系21が制御されることにより走査され、焼結領域に選択的に照射されるようになっている。さらに、レーザ光が走査されている間、レーザ光が粉末材料のの薄層15aのちょうど表面に焦点を結ぶように絶えず光学系22のレンズが動いて焦点距離が調整されるようになっている。光学系21の制御は、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき行われる。

粉末材料の薄層15aの表面におけるレーザ光のビーム径は、光学系22の焦点距離に比例するため焼結領域の縦横の幅で変わってくるが、レーザ光が300mm□の造形領域いっぱいに走査されるとして、凡そ170μmに絞ることができる。なお、CO₂レーザでは同じ条件で、350μmである。

（ｂ）造形部101の構成
造形部101においては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の照射により造形が行われる造形用容器11と、その両側に設置された第１及び第２の粉末収納容器12a、12bとを備えている。粉末材料の酸化や窒化を防ぐため、造形部101は、減圧可能なチャンバ（図示しない）内か、又は、内部雰囲気をAr及びHeの少なくともいずれか一からなる不活性ガスで置換可能なチャンバ（図示しない）内に設置される。

造形用容器11では、パートテーブル13a上で、粉末材料の薄層15aが形成され、粉末材料の薄層15aをレーザ光の照射により焼結又は溶融・固化させて焼結薄層15bが形成される。そして、パートテーブル13aを下方に移動させて焼結薄層15bを順次積層し、３次元造形物が作製される。

第１及び第２の粉末収納容器12a、12bでは、フィードテーブル14aa及び14ba上に粉末材料15が収納され、フィードテーブル14aa及び14baを上方に移動させることにより、粉末材料15を供給する。

なお、パートテーブル13a、フィードテーブル14aa、14baには、支持軸13b、14ab及び14bbが取り付けられ、支持軸13b、14ab及び14bbは、支持軸13b、14ab及び14bbに上下移動を行わせる駆動装置に接続されている。

更に、造形領域及び粉末収納領域の全領域にわたって移動するリコータ16が設けられている。リコータ16は、フィードテーブル14aa及び14baの上昇により供給された粉末材料を造形領域まで運搬し、造形テーブル13a上に粉末材料の薄層15aを形成する機能を有する。薄層15aの厚さは、造形テーブル13aの下降量で決まる。

（粉末材料）
粉末積層造形に使用される粉末材料15は、適度な流動性、及び濡れ性が必要とされる。流動性が必要とされるのは、粉末収納領域から造形領域にリコータにより粉末材料を移動させて粉末材料の薄膜を一定の層厚で形成するためであり、濡れ性が必要とされるのは加熱時に隣接する粉末同士が溶融し合うようにするためである。これらの特性は、粉末材料の粒径、材質などによって影響を受けるため、それらを適宜調整して用いる必要がある。

この実施形態で使用される粉末材料15は、主粉末とレーザ吸収剤とで構成される。また、主粉末だけでは適度な流動性が得られない場合、流動性を向上させるため粉末材料15にフローエージェントを添加することが好ましい。

主粉末は、アルミニウム（Al）、アルミニウム合金、又は、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物を用いることができる。アルミニウム合金は、アルミニウム（Al）に、例えばSi、Mg、Cu、Mn、又はZnのうち少なくとも１種を含有したものを用いることができる。また、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物は、アルミニウム（Al）或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一に、Mg、Cu、Ni、Cu₃P、CuSnよりなる群から選ばれた少なくとも１種を適当な割合で混ぜ合わせたものを用いることができる。Mgは還元作用を利用するためであり、Niは濡れ性を改善するためである。

図４は、アルミニウムの光吸収特性を示すグラフである。縦軸が線形表示の光吸収率を示し、横軸が対数表示の波長(μm)を示す。それによれば、波長が凡そ1μmのところに光吸収率の極大値を有するとともに、波長が0.4μmよりも低くなるにつれてその極大値を越えて光吸収率が高くなる。また、波長1μm程度を越えると光吸収率は漸減する。この特性から、波長約1μmのレーザ光を使用すると比較的効率よくレーザ光が吸収されることが分かるが、本願発明者の実験より波長10μm程度のレーザ光でも十分に加熱できることが確かめられている。

主粉末の平均粒径は10μmよりも大きい方がよく、20μm以上が望ましい。粉末材料15の平均粒径が10μm以下であると、粉末の凝集性が強くなり、粉末を薄く形成することが難しくなるためである。

レーザ吸収剤は、使用する特定波長のレーザ光を吸収可能な材料で構成されたものを用いる。波長1μm前後のレーザ光を使用する場合、主材料としてカーボンを用い、波長10μm前後のレーザ光を使用する場合、主材料としてナイロン12などの樹脂を用いる。その他、使用する特定波長のレーザ光を吸収可能な金属や顔料、染料などを用いることができる。但し、レーザ吸収剤の平均粒径10μmで、粒径範囲2〜40μmが望ましい。粉末材料15中のレーザ吸収剤の含有率は焼結又は溶融・固化の状態などが良好になるように適宜調整することができる。なお、粉末材料15中のレーザ吸収剤の含有率は、レーザ吸収剤の量（重さ）／粉末材料15の量（重さ）×100で定義する。

フローエージェントは、BN又はSiO₂などを適度な粒径の粉末にしたものを用いることができる。

次に、粉末材料15の２つの作製方法について簡単に説明する。

第１の作製方法は、予め、主粉末と粉末状のレーザ吸収剤を用意しておき、主粉末と粉末状のレーザ吸収剤とを混合しよくかき混ぜて作製する。なお、フローエージェントを添加する場合は、主粉末と粉末状のレーザ吸収剤とフローエージェントとを混合しよくかき混ぜて作製する。

第２の作製方法は、主粉末の製造工程で主粉末の内部にレーザ吸収剤を取り込むものである。この第２の作製方法においては、主粉末の内部にレーザ吸収剤が取り込まれているため、第１の作製方法のように十分にかき混ぜなくても、常に一定のレーザ吸収剤の含有率が得られ、粉末材料の性能が安定している。なお、フローエージェントを添加する場合は、主粉末の内部にレーザ吸収剤を取り込んだものとフローエージェントを混合しよくかき混ぜて作製する。

（ｃ）制御部の構成及び機能
制御部は、上述したレーザ光出射部102のコントローラ（制御装置）25と、図示しない造形部101のコントローラ（制御装置）とで構成される。

（レーザ光出射部102のコントローラ25）
レーザ光出射部102のコントローラ25は、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光源23のON（点灯）及びOFF（消灯）と、光学系21のミラー21a、21b及び光学系22のレンズの動作とを制御する。

コントローラ25は、まず、図３（ａ）に示すように、焼結領域41に対して平行に設定された走査線51a、51b、51c、51d、51e・・・に基づき、Ｘミラー21a及びＹミラー21bの角度を変化させてレーザ光を走査するとともに、光学系22のレンズの動作とレーザ光源23のON/OFFを制御し、焼結領域41内を焼結する。

この場合、図３（ａ）に示すように、走査線51aの始点a1、a2、a3、a4、a5・・と終点b1、b2、b3、b4、b5・・は、焼結領域41の周縁（境界）41a、41b、41c、41dに置かれる。ミラーの角度変化を小さくするため、走査線51aの終点b1からすぐ下に次の走査線51bの始点a2が来るようにする。即ち、走査線51aと隣接する走査線51bとは走査の向きが逆向きになるように作成される。走査線51c、51d、51e・・もこれらと同様に作成される。走査線51aの終点b1から次の走査線51bの始点a2までのＹ方向の経路52aに対応してＹミラーの角度が変化させられる。この経路52aではレーザ光が消灯される。

その後、図３（ｂ）に示すように設定された走査線44a、44b、44c、44dに基づき焼結領域の周縁（境界）41a、41b、41c、41dが焼結又は溶融・固化されて一薄層の焼結領域41全体の焼結又は溶融・固化がなされる。

なお、上述の一つの走査線は一方向に向く一つの直線で表されるが、上述のほかに、溶接などでビード幅を太くするために用いられる、いわゆるウイービングパターンと呼ばれる走査線も適用可能である。ウイービングパターンには、縦方向の移動と横方向の移動を交互に繰り返しながら進むパターンや、これと類似しているが、１ピッチ進んでは半ピッチ戻りながら進むパターンや、上記2つのパターンとは異なり縦方向には移動せずに横方向に一つの直線上を移動するが、１ピッチ進んでは半ピッチ戻りながら進むパターンなどがある。

（造形部101のコントローラ）
造形部101のコントローラは、パートテーブル13a、第１及び第２のフィードテーブル14aa、14baの動作と、リコータ16の動作とを制御する。

コントローラは、まず、本発明の実施形態に係る樹脂粉末15を載せた第１のフィードテーブル14aaを上昇させるとともに、パートテーブル13aを薄層一層分だけ下降させ、リコータ16を移動させて第１の粉末収納容器12aから造形用容器１１に粉末15を供給させ、パートテーブル13a上に粉末の薄層15aを形成させる。

その後に、上述したコントローラ25による制御により、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光、光学系21のミラー21a、21b及び光学系22のレンズによって粉末の薄層15aを選択的に加熱して焼結薄層15bを形成させる。

また、上記と逆に、本発明の実施形態に係る粉末材料15を載せた第２のフィードテーブル14baを上昇させるとともに、パートテーブル13aを薄層一層分だけ下降させ、リコータ16を移動させて第２の粉末収納容器12bから造形用容器１１に粉末15を供給させ、パートテーブル13a上に粉末の薄層15aを形成させる。

その後に、上述したコントローラ25は、作成すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光、光学系21のミラー21a、21b及び光学系22のレンズによって粉末材料の薄層15aを選択的に加熱させて焼結薄層15bを形成させる。

引き続き、これらの動作を繰り返して、複数の焼結薄層15bを積層させ、３次元造形物を作製させる。

以上説明した本発明の実施形態に係る粉末材料を使用する積層造形装置によれば、次項で説明するように、上述のアルミニウム粉末材料を用いてアルミニウム製の実用的な試作品や製品を直接焼結又は溶融・固化により作製することが可能である。

（２）積層造形法の説明
次に、図１、図２及び図３を参照しながら、上記粉末積層造形装置を用いた積層造形法について説明する。

まず、減圧雰囲気中、又は、内部雰囲気をAr及びHeの少なくともいずれか一からなる不活性ガスで置換された造形部101において、第１及び第２のフィードテーブル14aa、14baを降下させ、フィードテーブル14aa、14ba上に造形に必要な量の粉末材料15を収納する。粉末材料15は、アルミニウム（Al）、アルミニウム合金、又は、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物からなる主粉末と、波長1μm程度の近赤外域の波長をもつレーザ光を吸収するレーザ吸収剤とを含む、上述した粉末材料を用いる。

次いで、パートテーブル13aを薄層一層分に相当する量だけ降下させる。次いで、第１のフィードテーブル14aaを上昇させて粉末材料15が第１の粉末収納容器12aの表面から上に出てくるようにする。

次いで、リコータ16を移動させて第１の粉末収納容器12aから上に出ている粉末材料15を造形用容器１１内のパートテーブル13a上に移動させる。

次いで、造形用容器11の表面を均しつつパートテーブル13a上に粉末を運び入れる。これにより、パートテーブル13a上に一層分の粉末の薄層が形成される。このとき、造形用容器11の上方にヒータなどを設置し、粉末材料の薄層の表面を融点よりも５℃から１５℃程度低い温度に予備加熱してもよい。

次いで、作製すべき３次元造形物のスライスデータに基づき、光学系22のレンズの動きを制御しつつ光学系21のミラー21a、21bを制御して波長1μm程度のレーザ光を走査し、図１（ｂ）に示すように、パートテーブル13aの薄層15aを選択的に加熱し、焼結又は溶融・固化して焼結薄層15bを形成する。この場合、最初に、図３（ａ）に示すように、焼結領域41内を焼結又は溶融・固化し、最後に、図３（ｂ）に示すように、走査線44a、44b、44c、44dに従って焼結領域41の周縁（境界）41a、41b、41c、41dを焼結又は溶融・固化する。

次いで、パートテーブル13aを薄層一層分に相当する量だけ降下させるとともに、第２のフィードテーブル14baを上昇させて粉末材料15が第２の粉末収納容器12bの表面から上に出てくるようにする。次いで、リコータ16を右側から左側へ移動させる。そして、第２の粉末収納容器12bから新たな粉末15をパートテーブル13上に供給し、焼結薄層15bの上に新たな粉末材料の薄層を形成する。

次いで、レーザ光源23のON/OFF、光学系21のミラー21a、21b及び光学系22のレンズの動きを制御して、焼結薄層15b上の新たな粉末材料の薄層を加熱し、焼結又は溶融・固化して、焼結薄層15bの上に新たな焼結薄層を形成する。

上記したような方法で、粉末材料の薄層の形成→加熱し、焼結又は溶融・固化→粉末材料の薄層の形成→加熱し、焼結又は溶融・固化→・・・を繰り返す。

このようにして、順次焼結薄層15bが積層されて３次元造形物が完成する。そして、最後に予備加熱を止めて自然冷却を行い、常温付近になったら造形用容器11から粉末材料15に埋もれた３次元造形物を取り出す。

以上のように、本実施形態によれば、粉末材料はアルミニウムを主成分とする主粉末とレーザ吸収剤とを含み、減圧中、又は不活性ガス中で、粉末材料の薄層を形成し、その薄層にレーザ光を選択的に照射してその薄層を焼結又は溶融・固化させている。

これにより、粉末材料にレーザ光を照射し、加熱して焼結又は溶融・固化するときに粉末材料の酸化や窒化が防止できる。

また、粉末材料がアルミニウムを主成分とする主粉末だけで構成される場合、レーザ光が照射されたときに、主粉末の反射率が高いため主粉末がレーザ光をあまり吸収せず、かつ加熱されても主粉末の熱伝導率が高いため主粉末から急速に熱が逃げてしまうが、粉末材料にレーザ吸収剤が添加されることによって、レーザ吸収剤がレーザ光を吸収して加熱されるため、その熱が周囲の主粉末に伝わって主粉末が効率良く加熱されるとともに主粉末の温度低下が抑制される。したがって、主粉末の温度が高くかつより長く保持されるため、隣接する主粉末同士が溶融し合い、繋がるようになる。

このように、本実施形態に係る粉末材料をレーザ焼結することでより強固な３次元造形物を作製することができる。

したがって、その３次元造形物をアルミニウム製の製品として使用可能である。

また、その３次元造形物は、アルミニウムを主成分とするため、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途の製品に対する実用的な試作品として有用である。また、高い熱伝導率を有するため発熱体の近くに設置する用途の製品に対する実用的な試作品にも適している。

さらに、その３次元造形物は、軽量であるため扱い易いというメリットもある。

（３）粉末材料の性能比較
次に、上述の粉末材料に関し、レーザ吸収剤の含有率の違いによる粉末材料の性能を比較する。

粉末材料中へのレーザ吸収剤の添加は、主粉末と粉末状のレーザ吸収剤を混ぜ合わせる上述した方法により行った。主粉末としてAl-12Si粉末材料を用い、その平均粒径を約30μmとした。なお、Al-12Siはベース材料をアルミニウムとし、12mass％のSiを含む合金を意味する。また、レーザ吸収剤として、波長１μm近傍の近赤外域の波長のレーザ光を吸収するカーボンを主原料とする平均粒径が約5μmの吸収剤を用いた。

粉末材料中のレーザ吸収剤の含有率を変えた粉末材料を３種類作製した。３種類の含有率は、０％（レーザ吸収剤を含まない）、１％、及び２％である。

焼結条件は、以下のように設定した。

レーザ出力：10W、20W、30W、40W、50Wの５条件
レーザ光の波長：1.07μm
ビーム径：薄層表面で170μm
ガルバノメータスキャナ速度：10、12、14、16、18、20、30mm／secの７条件
走査数：１ライン
積層数：１層
温度環境：常温
粉末材料周囲の雰囲気：アルゴン（Ar）
粉末材料周囲の雰囲気中の酸素濃度：１％、３％の２条件
なお、レーザスキャナは、YAG波長用ガルバノメータスキャナを搭載した50Wファイバレーザ（SPI社製）を用いた。

性能比較は、走査線１ラインにおける焼結状態を詳細に比較観察することにより行った。

焼結状態は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、それぞれ線状の状態、線状及び球状が混在している状態、球状の状態に分類された。「線状の状態」とは、粉末の溶融は局部的に生じるが、それが固まらないうちに隣接する粉末と溶融し合い、連結した状態を示し、溶融が十分でかつ長く維持され、それが安定的に行われることを示している。「球状の状態」とは、粉末の溶融が局部的に生じ、隣接する粉末が溶融し合わないうちに固まった状態を示し、溶融が不十分であるか、或いは溶融は十分であっても溶融状態の維持が不十分であることを示している。「線状及び球状が混在している状態」とは、「線状の状態」と「球状の状態」が混在している状態を示し、溶融が不十分であるか、或いは溶融状態の維持が安定的に行われないことを示している。

焼結実験の結果を図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）、（ｂ）にグラフで示す。各グラフにおいて、縦軸は線形表示の走査速度(mm/s)を示し、横軸は線形表示のレーザパワー(W)を示す。

図６（ａ）、（ｂ）は、粉末材料周囲のAr雰囲気中の酸素濃度が３％での焼結結果を示し、そのうち、図６（ａ）は粉末材料中のレーザ吸収剤の含有率が１％の場合、図６（ｂ）は粉末材料中のレーザ吸収剤の含有率が２％の場合をそれぞれ示す。また、図７（ａ）、（ｂ）は、粉末材料周囲のAr雰囲気中の酸素濃度が１％での焼結結果を示し、図７（ａ）は粉末材料中のレーザ吸収剤の含有率が１％の場合、図７（ｂ）は粉末材料中のレーザ吸収剤の含有率が２％の場合をそれぞれ示す。

なお、上述の焼結実験の結果において、粉末材料中にレーザ吸収剤を含まない場合はグラフ化していないが、粉末材料周囲のAr雰囲気中の酸素濃度が１％、３％のいずれにおいても、走査速度10〜30 mm/s、レーザパワー10〜50Wの範囲でほとんど焼結或いは溶融・固化されないか又は球状の状態しか得られなかった。

上述の焼結実験の結果より、レーザ吸収剤を添加すると、レーザパワーが小さくても或いは走査速度が速くても「線状の焼結状態」を実現できること、そして、レーザ吸収剤の含有率が高いほどその効果は増進されることが分かった。このことは、実用的な性能のレーザ光源を用いて、短い時間で焼結できることを示しており、レーザ吸収剤を添加した金属粉末材料は、レーザ吸収剤を添加しないものと比較して、実用上、非常に有用であるといえる。なお、レーザ吸収剤の含有率があまり高いと、造形物がアルミニウム焼結体としての特性を持たなくなるためレーザ吸収剤の含有率は適度な高さが望ましい。

上述のように、レーザ吸収剤を添加した金属粉末材料は、粉末積層造形法に用いて実用的な試作品や製品を直接焼結するのに有効であることが分かったが、さらに以下の点でより優れた効果を得ることができる。

（ｉ）実験結果より、１％や３％程度の酸素濃度の違いによっては焼結結果にあまり差がでていない。このことは、アルミニウムの酸化に関して１％以上の酸素濃度は酸素が十分に多量ということを示していると考えられる。したがって、酸素濃度を１％より小さく零に近づくようにすれば、主粉末の酸化を一層抑制できることになり、それに伴い、よりよい焼結結果が得られる。

（ii）また、上述の焼結実験は粉末材料を予備加熱しない常温の温度環境下で行われたが、予めアルミニウム粉末材料の溶融点の近くまでアルミニウム粉末材料の温度を上げておくことで、熱伝導率が高いアルミニウム粉末材料がレーザ光で加熱された後に急速に冷えるのを抑制し、高い温度を長く維持することが可能となるため、さらに低いパワーでかつ速い走査速度で「線状の焼結状態」を実現することができる。

以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。

例えば、実施形態では、レーザ光源として、YAGレーザ光源やファイバレーザ光源を用いているが、CO₂レーザ光源を用いてもよい。また、YAGレーザ光源やファイバレーザ光源が発生するレーザ光よりも波長が長く、CO₂レーザ光源が発生するレーザ光よりも波長が短いレーザ光を発生するその他のレーザ光源を用いることができる。この場合、レーザ光源から発生するレーザ光の波長に合わせて、適宜、そのレーザ光を吸収し得るレーザ吸収剤を選択し、かつ適切な含有率で主粉末中に含める必要がある。

11…造形用容器、12a、12b…粉末収納容器、13a…パートテーブル、13b、14ab、14bb…支持軸、14aa、14ba…フィードテーブル、15…粉末材料、15a…粉末材料の薄層、15b…焼結薄層、41…焼結領域、41a、41b、41c、41d…焼結領域の周縁（境界）、44c、44d、51a、51b、51c、51d、51e…走査線、101…造形部、102…レーザ光出射部、a1、a2、a3、a4、a5…走査線の始点、b1、b2、b3、b4、b5…走査線の終点。

Claims

粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射して前記薄層を焼結又は溶融・固化させ、該焼結又は溶融・固化した薄層を繰り返し積層して３次元造形物を作製する積層造形に使用される積層造形用粉末材料であって、
前記粉末材料は、アルミニウム（Al）、アルミニウム合金、又は、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物からなる主粉末とレーザ吸収剤とを含むことを特徴とする積層造形用粉末材料。
前記アルミニウム合金は、アルミニウム（Al）にSi、Mg、Cu、Mn、又はZnのうち少なくとも１種を含有したものであることを特徴とする請求項１記載の積層造形用粉末材料。
前記アルミニウム或いは前記アルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物における該他の金属は、Mg、Cu、Ni、Cu₃P、CuSnよりなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の積層造形用粉末材料。
前記レーザ吸収剤は、主材料が波長1μm近傍のレーザ光を吸収するカーボン、顔料或いは染料であり、又は、主材料が波長10μm近傍のレーザ光を吸収する樹脂、顔料或いは染料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の積層造形用粉末材料。
減圧中、又は不活性ガス中で、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粉末材料を用いて該粉末材料の薄層を形成する工程と、
前記減圧中、又は不活性ガス中で、前記薄層にレーザ光を選択的に照射して該薄層を焼結又は溶融・固化させる工程とを順次繰り返して３次元造形物を作製することを特徴とする粉末積層造形法。
前記レーザ光は、波長1μm近傍のレーザ光を発生するYAGレーザ光源或いはファイバレーザ光源より発生したもの、又は波長10μm近傍のレーザ光を発生するCO₂レーザ光源より発生したものであることを特徴とする請求項５記載の粉末積層造形法。