JP2015096646A - レーザー焼結用粉末、構造物の製造方法および構造物の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末にレーザー光を照射して形成する構造物の製造において表面に光沢を有する構造物を製造可能なレーザー焼結用粉末、構造物の製造方法および構造物の製造装置を提供すること。【解決手段】レーザー光４を照射して焼結されるレーザー焼結用粉末１であって、複数の金属粒子２と、複数の金属粒子２を連結するバインダー３と、を有し、バインダー３はレーザー光４を照射されて昇華する。金属粒子２の平均粒径は５μｍ以上１０μｍ以下であり、レーザー焼結用粉末１の平均粒径は３０μｍ以上５０μｍ以下である。また、レーザー焼結用粉末１を用いて粉末層を形成した後、レーザー光４を照射する前あるいは照射した後に、この粉末層を厚さ方向に加圧するようにしてもよい。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザー焼結用粉末、構造物の製造方法および構造物の製造装置に関するものである。

金属粉末にレーザー光を照射して構造物を形成する製造が行われている。この方法はコンピューターを用いてレーザー光を制御することにより構造物を形成するので多品種少量生産に適している。そして、この製造方法が特許文献１に開示されている。それによると、まず、平板上に金属粉末を敷き詰める。次に、金属粉末層の表面に沿って均し板を移動し金属粉末を均して所定の厚みに整える。続いて、保護ガスを金属粉末層の上に流して保護ガスの雰囲気を形成する。次に、レーザー光をビーム状にして走査し所定の画像を描画する。レーザー光が照射された場所では金属粉末が焼結して結合する。

金属粉末を敷き詰める工程、金属粉末を均す工程、金属粉末にレーザー光を照射して描画する工程を繰り返す。これにより、各層で焼結された金属粉末が結合して３次元形状の構造物が形成される。

特表２００１− ５０４８９７号公報

金属粉末は細かいと気中に舞い上がり易くなる。従って、レーザー焼結に利用可能な金属粉末の平均粒径は３０μｍ以上であった。そして、金属粉末が複数重なるとき、表面の金属粉末にはレーザー光が照射されて加熱され易く、影となる金属粉末は加熱され難くなる。この為、構造物は積層された方向で、完全に焼結された層と不完全に焼結された層とが積層された状態となる。完全に焼結された層と不完全に焼結された層とが交互に配置されるとき、表面の外観は光沢のない外観となる。従って、表面の研磨が必要となる。レーザー焼結による構造物は微細な形状を形成できるが、微細な形状は研磨工具や研磨布が届かない面があり光沢面にすることが難しかった。そこで、金属粉末にレーザー光を照射して形成する構造物の製造において表面に光沢を有する構造物を製造可能なレーザー焼結用粉末、構造物の製造方法および構造物の製造装置が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例にかかるレーザー焼結用粉末は、レーザー光を照射して焼結されるレーザー焼結用粉末であって、
複数の金属粒子と、
前記複数の金属粒子を互いに結合するバインダーと、を有し、
前記バインダーは、前記レーザー光により分解されて気体化する材料を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、レーザー焼結用粉末は複数の金属粒子がバインダーにより結合されている。金属粒子の大きさはレーザー焼結用粉末より小さくなっている。レーザー焼結用粉末は所定の厚みに配置される。そして、レーザー焼結用粉末にレーザー光が照射されるときバインダーが分解され気体化してレーザー焼結用粉末では複数の金属粒子が分離する。レーザー光に照射された金属粒子は加熱される。このとき、レーザー焼結用粉末の浅い場所には大きなエネルギーが加えられ、深い場所には小さなエネルギーが加えられる。金属粒子が大きいときに比べて小さいときには金属粒子の熱容量を小さくすることができるので、金属粒子の温度を容易に高くすることができる。従って、深い場所に位置する金属粒子の温度を高くすることができる為、焼結された金属は深い場所でも確実に焼結することができる。

レーザー焼結ではレーザー焼結用粉末を所定の厚みに配置する工程とレーザー光による描画とが繰り返して行われる。従来のように金属粒子の径が大きくレーザー光による金属粒子の加熱が深さ方向で差があるときには、焼結が完全に行われた層と不完全に焼結された層とが積層された層となる。本適用例のレーザー焼結用粉末ではレーザー光による金属粒子の加熱が深さ方向で差が生じることが抑制される。従って、レーザー焼結用粉末にレーザー光を照射して形成した構造物は金属粒子が積層された面において凹凸の少ない構造物にすることができる。その結果、レーザー焼結した構造物を表面に光沢を有する構造物にすることができる。

［適用例２］
上記適用例にかかるレーザー焼結用粉末において、前記金属粒子の平均粒径は５μｍ以上１０μｍ以下であり、前記レーザー焼結用粉末の平均粒径は３０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする。

本適用例によれば、レーザー焼結用粉末の平均粒径は３０μｍ以上５０μｍ以下である。レーザー焼結用粉末を所定の厚みに配置してレーザー光にて描画するとき、平均粒径が３０μｍ以上５０μｍ以下のレーザー焼結用粉末は舞い上がり難い粉末である。従って、レーザー焼結用粉末が静的に安定した状態でレーザー焼結用粉末にレーザー光を照射することができる。また、金属粒子の平均粒径は５μｍ以上１０μｍ以下である為、金属粒子の熱容量を小さくして加熱時の温度を上昇し易くすることができる。その結果、精度良い厚みに金属を品質良く焼結することができる為、品質良く構造物を形成することができる。

［適用例３］
上記適用例にかかるレーザー焼結用粉末において、前記レーザー焼結用粉末の平均粒径が、前記金属粒子の平均粒径の３倍以上１０倍以下であることを特徴とする。

本適用例によれば、レーザー焼結用粉末と金属粒子との粒径のバランスが最適化されるため、レーザー焼結用粉末の流動性と金属粒子の焼結性とを両立させることができる。また、レーザー焼結用粉末を用いて形成された粉末層を厚さ方向に加圧した際、レーザー焼結用粉末が適度に崩れやすくなり、かつ、金属粒子がより高密度に再配置され易くなるため、金属粒子が焼結する際の体積収縮をより軽減することができる。

［適用例４］
上記適用例にかかるレーザー焼結用粉末において、前記金属粒子は、鉄、ニッケルおよびコバルトのうちのいずれかを主成分としてアトマイズ法によって製造されることを特徴とする。

本適用例によれば、金属粒子の主成分は、主に鉄、ニッケルおよびコバルトのうちのいずれかであることから、レーザー焼結用粉末を焼結した金属は、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、コバルトおよびコバルト合金のうちのいずれかにすることができる。

［適用例５］
上記適用例にかかるレーザー焼結用粉末において、前記金属粒子は、鉄を主成分としてニッケル、クロム、モリブデンおよびカーボンのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

本適用例によれば、金属粒子の主成分は鉄であり、さらに、ニッケル、クロム、モリブデンおよびカーボンのうちの少なくとも１つを含むことから、レーザー焼結用粉末を焼結した金属は耐食性や機械的剛性を有する金属にすることができる。

［適用例６］
上記適用例にかかるレーザー焼結用粉末において、前記バインダーは、ＰＶＡであることを特徴とする。

本適用例によれば、バインダーはＰＶＡである。ＰＶＡは金属粒子を連結できる為、金属粒子を連結してレーザー焼結用粉末にすることができる。ＰＶＡはレーザーの照射により昇華させることができる為、レーザー焼結用粉末を焼結した金属にはバインダーを含まないようにすることができる。

［適用例７］
上記適用例にかかるレーザー焼結用粉末は、レーザー光を照射して焼結されるレーザー焼結用粉末であって、
アトマイズ法により製造された複数の金属粒子がスプレードライ法により造粒されてなる造粒粒子を有し、
前記造粒粒子は、内部に空孔を有していることを特徴とする。

本適用例によれば、レーザー焼結用粉末が内部に空孔を有する造粒粒子を含む。このような造粒粒子は、内部に空孔を有さない粒子に比べて、外殻部分の緻密化が相対的に進んでおり、機械的強度が相対的に大きい。このため、このような造粒粒子は、流動性に優れたものとなる。また、レーザー焼結用粉末を用いて形成された粉末層を厚さ方向に加圧した際、崩れやすいので、粉末層が圧縮されやすいものとなる。このため、レーザー焼結用粉末は、流動性と易圧縮性とを両立させたものとなる。

［適用例８］
本適用例にかかる構造物の製造方法は、複数の金属粒子がバインダーにより結合されているレーザー焼結用粉末からなる粉末層を形成する粉末層形成工程と、
前記粉末層にレーザー光を射出し所定のパターンを描画して前記バインダーを気体化させて前記金属粒子を焼結させるレーザー焼結工程と、
を有し、
描画された前記粉末層に重ねて前記粉末層を形成する前記粉末層形成工程と前記レーザー焼結工程とを繰り返すことにより、前記金属粒子が焼結された構造物を形成することを特徴とする。

本適用例によれば、レーザー焼結用粉末からなる粉末層が形成される。そして、粉末層にレーザー光が射出され、所定のパターンが描画される。レーザー光が照射された場所ではバインダーが気体化され、金属粒子が焼結される。本適用例のレーザー焼結用粉末では金属粒子の平均粒径がレーザー焼結用粉末の平均粒径より細かくなっている。金属粒子は細かくなる程熱容量が小さくなる為、金属粒子は焼結し易くなっている。従って、粉末層の深い場所に位置する金属粒子の温度を高くすることができる為、焼結された金属は深い場所でも確実に焼結することができる。その結果、本適用例の方法で形成した構造物は金属粒子が積層された面において凹凸の少ない構造物にすることができる。その結果、レーザー焼結した構造物を表面に光沢を有する構造物にすることができる。

［適用例９］
上記適用例にかかる構造物の製造方法において、前記レーザー光により照射される前記金属粒子は、溶融しない温度に加熱されて焼結されることを特徴とする。

本適用例によれば、金属粒子は焼結される温度に加熱される。金属が溶融するまで加熱されるときは溶融した金属が重力や表面張力の作用する方向へ流動する。従って、金属が溶融するまで加熱されるときに比べて焼結される温度に加熱されるときは精度良く描画された形状に金属を形成することができる。

［適用例１０］
上記適用例にかかる構造物の製造方法において、さらに、前記粉末層を厚さ方向に加圧する粉末層加圧工程を有することを特徴とする。

本適用例によれば、粉末層が厚さ方向に潰されて圧密化が図られるため、金属粒子が焼結しても、焼結層と粉末層との間における厚さの差を十分に小さくすることができ、その上に新たな粉末層を形成するとき、下地の状況によらず均一な厚さの粉末層を形成することができる。よって、金属粒子の焼結に伴って粉末層の体積が大きく収縮する場合であっても、製造される構造物の形状が設計値から大きくずれてしまうのを抑制することができ、構造物の寸法精度をより高めることができる。

［適用例１１］
上記適用例にかかる構造物の製造装置は、複数の金属粒子がバインダーにより結合されているレーザー焼結用粉末を用いて粉末層を形成する粉末層形成手段と、
前記粉末層に向けてレーザー光を射出するレーザー光源と、を有することを特徴とする

本適用例によれば、レーザー焼結用粉末からなる粉末層が形成される。そして、粉末層にレーザー光が射出され、所定のパターンが描画される。レーザー光が照射された場所ではバインダーが気体化され、金属粒子が焼結される。本適用例のレーザー焼結用粉末では金属粒子の平均粒径がレーザー焼結用粉末の平均粒径より細かくなっている。金属粒子は細かくなる程熱容量が小さくなる為、金属粒子は焼結し易くなっている。従って、粉末層の深い場所に位置する金属粒子の温度を高くすることができる為、焼結された金属は深い場所でも確実に焼結することができる。その結果、本適用例の方法で形成した構造物は金属粒子が積層された面において凹凸の少ない構造物にすることができる。その結果、レーザー焼結した構造物を表面に光沢を有する構造物にすることができる。

［適用例１２］
上記適用例にかかる構造物の製造装置において、さらに、前記粉末層を厚さ方向に加圧する加圧手段を有することを特徴とする。

本適用例によれば、粉末層が厚さ方向に潰されて圧密化が図られるため、金属粒子が焼結しても、焼結層と粉末層との間における厚さの差を十分に小さくすることができ、その上に新たな粉末層を形成するとき、下地の状況によらず均一な厚さの粉末層を形成することができる。よって、金属粒子の焼結に伴って粉末層の体積が大きく収縮する場合であっても、製造される構造物の形状が設計値から大きくずれてしまうのを抑制することができ、構造物の寸法精度をより高めることができる。

［適用例１３］
上記適用例にかかる構造物の製造装置において、前記加圧手段は、前記粉末層に接触可能なローラーを含むことを特徴とする。

本適用例によれば、ローラーが粉末層を不用意に削るおそれが少ないので、粉末層を目的とする厚さに潰しやすい。また、構造が簡単でかつ小型であるため、構造物の製造装置の動作を阻害し難い。

レーザー焼結用粉末の構造を示す概略斜視図である。 レーザー焼結用粉末の焼結を説明するための模式図である。 レーザー焼結用粉末を製造するスプレードライ装置の構造を示す模式図である。 本発明の構造物の製造装置の第１実施形態を適用したレーザー焼結装置の構造を示す模式図である。 レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第１実施形態）を説明するための模式図である。 レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第１実施形態）を説明するための模式図である。 本発明の構造物の製造装置の第２実施形態および第３実施形態を適用したレーザー焼結装置の構造を示す模式図である。 レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第２実施形態）を説明するための模式図である。 レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第２実施形態）を説明するための模式図である。 レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第３実施形態）を説明するための模式図である。 レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第３実施形態）を説明するための模式図である。 鉄、ニッケルおよびクロムを含む金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 鉄、ニッケルおよびクロムを含む金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 鉄を主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 鉄を主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 鉄を主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 コバルトを主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 コバルトを主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 ニッケルを主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 ニッケルを主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を焼結した実施例を示す図である。 ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を用い、レーザー焼結工程（露光）よりも前に行われる粉末層加圧工程を付加して焼結した実施例を示す図である。 ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を用い、レーザー焼結工程（露光）よりも後に行われる粉末層加圧工程を付加して焼結した実施例を示す図である。 ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を用い、造粒方法としてスプレードライ法または転動造粒法を用いるとともに、粉末層加圧工程を付加して焼結した実施例を示す図である。

以下、本発明のレーザー焼結用粉末、構造物の製造方法および構造物の製造装置について、添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。すなわち、本実施形態では、特徴的なレーザー焼結用粉末、レーザー焼結用粉末の製造、レーザー焼結用粉末を用いて構造物を製造する例、およびレーザー焼結用粉末を用いて構造物を製造する装置の例について、図１〜６にしたがって説明する。なお、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。

［レーザー焼結用粉末］
まず、本発明のレーザー焼結用粉末の実施形態について、図１に従って説明する。図１は、レーザー焼結用粉末の構造を示す概略斜視図である。図１に示すようにレーザー焼結用粉末１は、複数の金属粒子２が連結されることによって構成されている。

金属粒子２の平均粒径（質量基準の累積粒度分布における５０％累積時の粒径）は、特に限定されないが５μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。粒径が細かい程製造される構造物の表面粗さを細かくすることができる。なお、平均粒径が前記下限値を下回ると、金属粒子２の構成材料によっては、金属粒子２が空中を漂い易くなるので金属粒子２を扱い難くなるおそれがある。また、平均粒径が前記上限値を上回ると、金属粒子２の構成材料によっては、金属粒子２の焼結性が低下することがあり、構造物の製造に長時間を要するおそれがある。なお、金属粉末の平均粒径および造粒粉末の平均粒径は、例えば、動的光散乱法、レーザー回折法、遠心沈降法、ＦＦＦ（Ｆｉｅｌｄ Ｆｏｗ Ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ）法、電気的検知体法等の各種粒径測定方法により測定することができる。

金属粒子２の構成材料は、金属材料であれば特に限定されないが、好ましくは、鉄、ニッケルおよびコバルトのうちのいずれかを主成分としアトマイズ法により製造された粉末を含んでいる。これにより、レーザー焼結用粉末１を焼結した金属を、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、コバルト、およびコバルト合金のうちのいずれかにすることができる。そして、金属粒子２が鉄を主成分とした粒子であるときは、金属粒子２は、ニッケル、クロム、モリブデンおよびカーボンのうちのいずれか１元素または複数の組み合わせを含んでいることが好ましい。また、金属粒子２がニッケルを主成分とした粒子であるときは、金属粒子２は、クロム、モリブデンおよびカーボンのうちのいずれか１元素または複数の組み合わせを含んでいることが好ましい。これにより、レーザー焼結用粉末１を焼結した金属を耐食性や機械的剛性を有する金属にすることができる。

また、アトマイズ法には、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、高速回転水流アトマイズ法等があるが、金属粒子２は、そのいずれで製造されたものであってもよい。

なお、金属粒子２の形状は、特に限定されず、真球、楕円球のような球状であっても、立方体、直方体のような多面体であってもよく、円柱、角柱のような柱状体であっても、円錐、角錐のような錐体であってもよく、その他の異形状であってもよい。

ただし、後に詳述するように、レーザー焼結用粉末１を用いて形成された粉末層を厚さ方向に加圧する工程を行う場合には、金属粒子２のアスペクト比が所定の範囲内にあることが好ましい。具体的には、金属粒子２の短径をＳ［μｍ］とし、長径をＬ［μｍ］としたとき、Ｓ／Ｌで定義されるアスペクト比の平均値は、０．３以上０．９以下であるのが好ましく、０．４以上０．８以下であるのがより好ましい。このようなアスペクト比の金属粒子２は、その形状が一定の異方性を有するものとなる。このため、金属粒子２同士がバインダー３を介して固着されているとき、金属粒子２同士が引っ掛かりやすくなり、固着状態を保持する性質が発現しやすくなる。そして、レーザー焼結用粉末１を用いて製造された粉末層を厚さ方向に加圧する工程を経たときには、金属粒子２同士の間に一定の摩擦抵抗を確保することができるので、加圧された粉末層が一気に崩れてしまうのを抑制することができる。したがって、加圧後の粉末層の保形性を確保することに寄与する。

なお、前記長径とは、金属粒子２の投影像においてとりうる最大長さであり、前記短径とは、その最大長さに直交する方向においてとりうる最大長さである。また、アスペクト比の平均値は、１００個以上の金属粒子２について測定されたアスペクト比の値の平均値として求められる。

また、金属粒子２同士の間の摩擦抵抗という観点からすれば、金属粒子２を製造する際のアトマイズ法には、溶融金属を微粉化する媒体として液体を用いる水アトマイズ法または高速回転水流アトマイズ法が好ましく用いられる。これらのアトマイズ法は、いずれも溶融金属を微粉化する媒体として水を用いているため、溶融金属を微粉化するときの衝突エネルギーが大きく、また、微粉化した溶融金属が冷却する冷却速度も大きい。このため、ガスアトマイズ法のように、溶融金属を微粉化する媒体として気体を用いる方法に比べて、製造される金属粒子２の表面に微小な凹凸が形成され易く、その点において金属粒子２同士の摩擦抵抗を相対的に高めることができる。

金属粒子２の表面はバインダー３に覆われている。バインダー３により金属粒子２が固着されている。バインダー３の材質は加熱により昇華あるいは分解して気体化しやすい材料であればよく、各種の樹脂材料を用いることができる。例えば、バインダー３の材質には、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）等を用いることができる。本実施形態では例えば、バインダー３の材料にＰＶＡを用いている。バインダー量は金属粒子の種類などによって適宜調節されるが、金属粒子１００質量部に対して例えば０．１質量部以上５．０質量部以下の割合とされる。

なお、バインダー３には、加熱により昇華あるいは分解して気体化しやすい材料の他に、金属粒子２の焼結を阻害しない程度の少量であれば、気体化しない材料が含まれていてもよい。その場合、気体化しない材料は、バインダー３の１０質量％以下であるのが好ましく、５質量％以下であるのがより好ましい。

また、バインダー３には、加熱により昇華あるいは分解して気体化しやすい材料であって、昇華温度あるいは分解温度が互いに異なる材料が複数種含まれていてもよい。このような複数種の材料が含まれていることにより、バインダー３が加熱されたとき、一定の時間差を伴って複数種の材料が順次、昇華あるいは分解することとなる。このため、バインダー３を加熱する過程において、バインダー３が気体化しないで存在している時間をより長く確保することができ、その分、金属粒子２同士を固着している時間を長く確保することができる。その結果、後述するようにレーザー焼結用粉末１を用いて粉末層を形成したとき、その保形性をより高くすることができ、最終的に製造される構造物の寸法精度をより高めることができる。

例えば、バインダー３中に、昇華温度あるいは分解温度が互いに異なる２種類の材料が含まれている場合には、昇華温度あるいは分解温度の温度差は３度以上１００度以下であるのが好ましく、５度以上７０度以下であるのがより好ましい。昇華温度あるいは分解温度の温度差を前記範囲内に設定することにより、粉末層の保形性を十分に高めることができる。

レーザー焼結用粉末１の平均粒径（質量基準の累積粒度分布における５０％累積時の粒径）は、特に限定されないが３０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。さらには、３０μｍ以上４０μｍ以下が好ましい。レーザー焼結用粉末１の平均粒径が前記下限値より小さいときレーザー光を照射するときにレーザー焼結用粉末１が舞い上がるので構造物を形成し難くなる。レーザー焼結用粉末１の平均粒径が前記上限値より大きいとき、レーザー焼結用粉末１間の空洞が大きくなるので、構造物の中に気泡ができる可能性が高くなる。

一方、レーザー焼結用粉末１の平均粒径は、金属粒子２の平均粒径の３倍以上１０倍以下であるのが好ましい。レーザー焼結用粉末１の平均粒径を前記範囲内に設定することにより、レーザー焼結用粉末１と金属粒子２との粒径のバランスが最適化されるため、レーザー焼結用粉末１の流動性と金属粒子２の焼結性とを両立させることができる。また、後に詳述するように、レーザー焼結用粉末１を用いて形成された粉末層を厚さ方向に加圧した際、レーザー焼結用粉末１が適度に崩れ易くなり、かつ、金属粒子２がより高密度に再配置され易くなる。したがって、金属粒子２が焼結する際の体積収縮をより軽減することができる。

図中ではレーザー焼結用粉末１をわかり易くするために３つのレーザー焼結用粉末１が離れて記載されている。レーザー焼結用粉末１を使用するときにはレーザー焼結用粉末１を多数重ねて敷き詰める。

図２は、レーザー焼結用粉末の焼結を説明するための模式図である。図２（ａ）に示すように、レーザー焼結用粉末１が多数重ねて敷き詰められる。図中では、レーザー焼結用粉末１が３層重ねられて配置されているが、積層されるレーザー焼結用粉末１の層の数は特に限定されない。焼結後の金属粒子２の配列を品質良く整えるにはレーザー焼結用粉末１を１層に配置するのが好ましい。

図２（ｂ）に示すように、次に、レーザー焼結用粉末１にレーザー光４を照射する。レーザー光４によりバインダー３が加熱されて昇華する。バインダー３による金属粒子２の結合力が減少するので金属粒子２は移動し易くなる。図２（ｃ）に示すように、金属粒子２は熱されてさらに流動性が高くなる。そして、レーザー焼結用粉末１の間の隙間を埋めるように金属粒子２が移動する。その結果、図２（ｄ）に示すように金属粒子２が整列する。金属粒子２はそれぞれ隣り合う金属粒子２と接近し加熱されることにより金属結合する。レーザー光４の照射が止められると、金属粒子２の配列は冷却される。このとき、金属粒子２は金属結合しているので金属の塊となっている。そして、形成された構造物は、図２（ｅ）に示すように金属粒子２が緻密に配列しているので、図中左右側の側面においても光沢のある表面にすることができる。

図３は、レーザー焼結用粉末を製造するスプレードライ装置の構造を示す模式図である。図３に示すように、スプレードライ装置５は第１容器６を備えている。第１容器６は天井６ａに円板回転部７、原料滴下部８、熱風送風部９が設置されている。円板回転部７はモーター１０を備え、モーター１０の回転軸１０ａには円錐状の回転板１１が設置されている。回転板１１はモーター１０により回転される。

原料滴下部８は第２容器１２を備えている。第２容器１２には金属粒子２、バインダー３、バインダー３を溶解する溶媒１３が投入されている。溶媒１３はバインダー３を溶解し粘性が低く乾燥し易い媒体であれば良く、特に限定されない。溶媒１３には、例えば、水、メチルアルコール、エチルアルコール、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）等を用いることができる。本実施形態では、例えば、溶媒１３に水が用いられている。金属粒子２の材料は構造物の組成にあわせて調整する。例えば、構造物の材質がステンレスＳＵＳ３０１のときには金属粒子２は鉄、クロムおよびニッケルを含む合金となる。

原料滴下部８は天井６ａ側にモーター１４を備え、モーター１４の回転軸１４ａには羽根車１５が設置されている。羽根車１５はモーター１４により回転される。そして、羽根車１５は金属粒子２、バインダー３および溶媒１３を撹拌する機能を有している。羽根車１５により溶媒１３には金属粒子２が均等に分散しバインダー３が均等に溶解する。

第２容器１２の図中下側には吐出口１６が配置されている。吐出口１６からは金属粒子２、バインダー３および溶媒１３からなる液滴１７が滴下される。吐出口１６には電磁弁１６ａが設置され、電磁弁１６ａは液滴１７の大きさや吐出頻度を調整可能になっている。

熱風送風部９は天井６ａ側にモーター１８を備え、モーター１８の回転軸１８ａには羽根車２１が設置されている。羽根車２１はモーター１８により回転される。モーター１８と羽根車２１との間にはヒーター２２が設置されている。ヒーター２２はヒーター２２の周辺を流動する気流を加熱する。これにより、熱風送風部９は熱風２３を図中下側に向けて流動させる。

吐出口１６から吐出される液滴１７には重力が作用する。そして、吐出口１６の重力加速度方向には回転する回転板１１が位置している。液滴１７は回転板１１に当たり分裂されて微小液滴２４となる。微小液滴２４は空中を進行する。回転板１１の周囲には熱風２３が流動している。微小液滴２４の溶媒１３は熱風２３により加熱されて空中に放出される。これにより、微小液滴２４は乾燥されてレーザー焼結用粉末１になる。乾燥したレーザー焼結用粉末１は重力により図中下側に移動して蓄積される。以上の手順によりレーザー焼結用粉末１が製造される。

このようにして製造されたレーザー焼結用粉末１には、内部に空孔を有する粒子（造粒粒子）が多く含まれる。このような内部に空孔を有する粒子は、内部に空孔を有さない粒子に比べて、外殻部分の緻密化が相対的に進んでおり、機械的強度が相対的に大きい。このため、このような内部に空孔を有する粒子を含むレーザー焼結用粉末１は、流動性に優れたものとなる。また、内部に空孔を有していることから、後に詳述するように、レーザー焼結用粉末１を用いて形成された粉末層を厚さ方向に加圧した際に、粒子が潰れやすくなっており、粉末層が圧縮されやすい。このため、加圧工程において粉末層をより均一に加圧することができる。したがって、このような内部に空孔を有する粒子が含まれることにより、レーザー焼結用粉末１は、流動性と易圧縮性とを両立させるものとなる。

なお、アスペクト比が前述したような範囲内にある金属粒子２は、前述したように、金属粒子２同士の間で一定の摩擦抵抗が確保されるので、造粒される際に外殻部分を速やかに形成することができ、かつ、形成された外殻部分の緻密化が進み易い。このため、アスペクト比が前述したような範囲内にある金属粒子２は、内部に空孔を有する粒子の形成に際して有用である。

内部に含まれる空孔のサイズ等は、特に限定されないが、レーザー焼結用粉末１の１体積％以上５０体積％以下程度であるのが好ましく、５体積％以上３０体積％以下程度であるのがより好ましい。空孔のサイズをこのような範囲内に設定することで、レーザー焼結用粉末１は、流動性と易圧縮性とを特に両立させることができる。すなわち、空孔のサイズが前記下限値を下回ると、易圧縮性が低下するおそれがあり、空孔のサイズが前記上限値を上回ると、外殻部分の機械的強度が低下して流動性が低下するおそれがある。

なお、レーザー焼結用粉末１を製造する方法は、上述したスプレードライ法に限定されず、例えば、転動造粒法、流動造粒法、転動流動造粒法といった各種造粒方法であってもよい。ただ、スプレードライ法によれば、上述したような内部に空孔を有する粒子が多く含まれた（好ましくは個数比で３０％以上）レーザー焼結用粉末１が得られる。

また、レーザー焼結用粉末１は、上述したようにして製造された造粒粉末に任意の粉末を混合した混合粉末であってもよい。任意の粉末は、金属粒子２の焼結を阻害しないものであれば、その構成材料や混合量は特に限定されない。

［構造物の製造装置］
次に、本発明の構造物の製造装置の第１実施形態を適用したレーザー焼結装置について説明する。

図４は、本発明の構造物の製造装置の第１実施形態を適用したレーザー焼結装置の構造を示す模式図である。レーザー焼結装置２５はＸＹＺステージ２６を備えている。ＸＹＺステージ２６は直交する３軸方向にテーブル２７を移動させる装置である。具体的には、ＸＹＺステージ２６は、ＸＹステージ２８と昇降装置２９とを備えている。ＸＹステージ２８は、テーブル２７を水平方向に移動させる。また、昇降装置２９は、ＸＹステージ２８上に設けられており、テーブル２７を昇降させる。ＸＹステージ２８は２軸の直動機構を備え、昇降装置２９は１軸の直動機構を備えている。これにより、ＸＹＺステージ２６はテーブル２７を直交する３軸方向に移動させることが可能になっている。

テーブル２７上には有底角筒状の容器３０が設置され、容器３０内にはレーザー焼結用粉末１が敷き詰められる。容器３０の図中上側には容器３０の内部にレーザー焼結用粉末１を供給する粉末供給装置３１が設置されている。粉末供給装置３１は図中左右に延在するレール３２を備えている。そして、レール３２に沿って移動する移動ステージ３３が設置されている。移動ステージ３３にはレーザー焼結用粉末１を収納するホッパー３４が設置されている。ホッパー３４の外観は三角柱状をしており容器３０の底３０ａを向く側に排出口３４ａが設置されている。

排出口３４ａには電磁弁３５が設置され、電磁弁３５は排出口３４ａを開閉する。電磁弁３５が排出口３４ａを開くとき、排出口３４ａから容器３０の底３０ａに向けてレーザー焼結用粉末１が流動する。排出口３４ａには均し板３６が設置されている。均し板３６はスキージとも称される。電磁弁３５が排出口３４ａを開いて、移動ステージ３３がホッパー３４および均し板３６を移動する。これにより、底３０ａにレーザー焼結用粉末１が供給され、均し板３６がレーザー焼結用粉末１の表面を平らに均すことができる。尚、均し板３６に変えて円柱状のローラーが回転しながら移動する機構を設置しても良い。そして、ローラーを回転させることによりレーザー焼結用粉末１の表面を平らに均しても良い。以上のような移動ステージ３３、ホッパー３４および均し板３６等により、レーザー焼結装置２５の粉末層形成手段が構成される。

粉末供給装置３１の図中上側にはレーザー照射部３７が設置されている。レーザー照射部３７はレーザー光源３８を備えている。レーザー光源３８は金属粒子２を焼結できる光強度のレーザー光４を射出可能であれば良く、炭酸ガスレーザー、アルゴンレーザー、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザー等のレーザー光源を用いることができる。本実施形態では、例えば、レーザー光源３８に炭酸ガスレーザーを用いている。

レーザー光源３８が射出するレーザー光４はスキャナー４１に入射される。スキャナー４１はミラー４１ａを備え、スキャナー４１はミラー４１ａを搖動する。スキャナー４１に入射されたレーザー光４はミラー４１ａに反射される。そして、ミラー４１ａが搖動するので、レーザー光４はスキャナー４１によって走査される。

ミラー４１ａによって反射されたレーザー光４は集光レンズ４２に入射される。集光レンズ４２はシリンドリカルレンズであり、走査されるレーザー光４をレーザー焼結用粉末１の表面に集光させる。集光レンズ４２は単レンズでも良く組合せレンズでも良い。

レーザー照射部３７の図中右側には熱風送風部４３が設置されている。熱風送風部４３はヒーターを備え、気体を加熱する。そして、熱風送風部４３はモーターおよび羽根車を備え、モーターは羽根車を回転させて送風する。熱風送風部４３は容器３０側に送風管４４を備えている。送風管４４には等間隔に噴出口４４ａが設けられている。熱風送風部４３は送風管４４に熱風２３を送風する。そして、送風管４４の噴出口４４ａから熱風２３がレーザー焼結用粉末１に向けて送風される。

レーザー焼結装置２５は制御部４５を備えている。制御部４５はＸＹＺステージ２６、移動ステージ３３、電磁弁３５、レーザー光源３８および熱風送風部４３と電気的あるいは光学的に接続されている。そして制御部４５は各装置を制御し、レーザー焼結用粉末１から構造物を形成する。

レーザー焼結装置２５はチャンバー４６を備え、チャンバー４６内にＸＹＺステージ２６、容器３０、粉末供給装置３１、レーザー照射部３７および熱風送風部４３が配置されている。チャンバー４６の上には不活性ガス４７を供給する不活性ガス供給部４８が設置されている。そして、チャンバー４６の内部は不活性ガス４７により充填されている。不活性ガス４７の種類は特に限定されないが、本実施形態では、例えば、不活性ガス４７にアルゴンガスを用いている。すなわち、熱風送風部４３から送風される熱風２３は、加熱されたアルゴンガスからなる。また、不活性ガス４７に窒素ガスを用いてもよい。これにより、金属粒子２が酸化することを防止することができる。

［構造物の製造方法］
≪第１実施形態≫
次に、本発明の構造物の製造方法の第１実施形態について説明する。

図５および図６は、それぞれ、レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第１実施形態）を説明するための模式図である。以下、図５および図６に基づいて、構造物を形成する方法を説明する。この方法では上述したレーザー焼結装置２５を用いる。

図５（ａ）に示すように、レーザー焼結装置２５のホッパー３４にレーザー焼結用粉末１を設置する。このとき、電磁弁３５が閉じられて排出口３４ａを閉鎖する。これにより、レーザー焼結用粉末１はホッパー３４内に保持される。そして、容器３０の底３０ａと均し板３６との間隔をレーザー焼結用粉末１の平均粒径にする。次に、図５（ｂ）に示すように、電磁弁３５が開かれて排出口３４ａを開放する。これにより、排出口３４ａから容器３０の底３０ａにレーザー焼結用粉末１が供給される。排出口３４ａが開放されたまま、移動ステージ３３はホッパー３４および均し板３６を移動する。これにより、底３０ａにレーザー焼結用粉末１が供給される。そして、レーザー焼結用粉末１が容器３０の底３０ａに順次敷き詰められるとともに、レーザー焼結用粉末１の表面が均される。これにより、レーザー焼結用粉末１の１層目の粉末層１ａが形成される。すなわち、移動ステージ３３、ホッパー３４および均し板３６等により構成される粉末層形成手段により、１層目の粉末層１ａが形成される。１層目の粉末層１ａの厚みはレーザー焼結用粉末１の平均粒径と異なっていてもよいが、好ましくは平均粒径と同じ長さに設定される。これにより、１層目の粉末層１ａではレーザー焼結用粉末１が厚み方向に重ならないように敷き詰められる。次に、電磁弁３５が閉じられて排出口３４ａを閉鎖することにより、排出口３４ａからレーザー焼結用粉末１が流出しないようにする。

次に、図５（ｃ）に示すように、１層目の粉末層１ａ向けて熱風２３が流動される。これにより、１層目の粉末層１ａは加熱される。加熱される１層目の粉末層１ａの温度は金属粒子２が焼結される温度より低い温度となっている。次に、１層目の粉末層１ａに集光するようにレーザー光４が照射される。レーザー光がスキャナー４１により走査されるとともに１層目の粉末層１ａがＸＹステージ２８により水平方向に移動される。これにより、１層目の粉末層１ａには所定のパターンが描画される。

レーザー光により照射されるレーザー焼結用粉末１は溶融しない温度で焼結される。仮に、金属が溶融するまで加熱されるときは溶融した金属が重力や表面張力の作用する方向へ流動してしまう。従って、金属が溶融するまで加熱されるのではなく、焼結される温度に留めて加熱されることにより、精度良く描画された形状に金属の構造物を形成することができる。

その結果、図５（ｄ）に示すように、レーザー光４が照射された場所の１層目の粉末層１ａには、金属粒子２が焼結された焼結層１ｂが形成される。その後、昇降装置２９により容器３０を降下させる。そして、焼結層１ｂと均し板３６との間隔をレーザー焼結用粉末１の平均粒径にする。

次に、図５（ｅ）に示すように、移動ステージ３３によりホッパー３４および均し板３６を図中左側へ移動する。ホッパー３４内のレーザー焼結用粉末１が少なくなったときにはこのときに補充する。次に、図５（ｆ）に示すように、電磁弁３５が開けられて排出口３４ａを開放する。これにより、排出口３４ａから１層目の粉末層１ａおよび焼結層１ｂの上に重なるようにレーザー焼結用粉末１が供給される。排出口３４ａが開放されたまま、移動ステージ３３によりホッパー３４および均し板３６を移動する。これにより、底３０ａにレーザー焼結用粉末１が供給されてレーザー焼結用粉末１が容器３０の底３０ａに順次敷き詰められるとともに、レーザー焼結用粉末１の表面が均される。これにより、１層目の粉末層１ａおよび焼結層１ｂの上に重なるようにレーザー焼結用粉末１の２層目の粉末層１ａが形成される。このときも、２層目の粉末層１ａの厚みはレーザー焼結用粉末１の平均粒径と異なっていてもよいが、好ましくは平均粒径と同じ長さに設定される。これにより、２層目の粉末層１ａではレーザー焼結用粉末１が厚み方向に重ならないように敷き詰められる。次に、電磁弁３５が閉じられて排出口３４ａを閉鎖することにより、排出口３４ａからレーザー焼結用粉末１が流出しないようにする。

次に、図６（ａ）に示すように、２層目の粉末層１ａに向けて熱風２３が流動される。これにより、２層目の粉末層１ａは加熱される。次に、最上段の（２層目の）粉末層１ａに集光するようにレーザー光４が照射される。レーザー光４はスキャナー４１により走査され、２層目の粉末層１ａはＸＹステージ２８により水平方向に移動する。これにより、２層目の粉末層１ａには所定のパターンが描画される。その結果、図６（ｂ）に示すように、レーザー光４が照射された場所の２層目の粉末層１ａには金属粒子２が焼結された焼結層１ｂが形成される。焼結層１ｂは下に位置する焼結層１ｂと接続して形成される。そして、昇降装置２９により容器３０を降下させる。そして、焼結層１ｂと均し板３６との間隔をレーザー焼結用粉末１の平均粒径と同じ長さに設定する。なお、このときも、焼結層１ｂと均し板３６との間隔はレーザー焼結用粉末１の平均粒径と異なっていてもよい。

その後、描画されて形成された焼結層１ｂに重なるように粉末層１ａを形成する工程と、粉末層１ａに向けてレーザー光４を射出する工程と、を繰り返す。その結果、図６（ｃ）に示すように、容器３０には、所定のパターンに焼結された焼結層１ｂが多数積層された構造物４９が形成される。そして、図６（ｄ）に示すように、構造物４９を容器３０から取り出して構造物４９に付着したレーザー焼結用粉末１を除去することにより、構造物４９の製造が終了する。

上記の製造方法を用いて製造される構造物４９は各種用途に用いることができる。例えば、人体の歯科矯正用に歯に充てられる金属片に用いることができる。この金属片は設置する歯の形状に合わせて設計されるので種類が多い部品となっている。このときにも、要求される形状に合わせて構造物４９を製造することができる。

また、構造物４９は、この他にも、自動車用部品、鉄道車両用部品、船舶用部品、航空機用部品のような輸送機器用部品、パソコン用部品、携帯電話端末用部品のような電子機器用部品、工作機械、半導体製造装置のような機械用部品等、あらゆる構造部品に適用可能である。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の構造物の製造方法の第２実施形態について説明する。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。また、図において、前述した実施形態と同様の事項については、同一符号を付している。

図８および図９は、それぞれ、レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第２実施形態）を説明するための模式図である。以下、図８および図９に基づいて、構造物を形成する方法を説明する。この方法では、図７に示すレーザー焼結装置２５（本発明の構造物の製造装置の第２実施形態）を用いる。

そこで、まず、図７に示すレーザー焼結装置２５について説明する。なお、図７では、レーザー焼結装置２５のうち、レール３２付近の部位のみを抜き出して図示している。

図７に示すレーザー焼結装置２５は、図４に示すレーザー焼結装置２５に対し、粉末層１ａを厚さ方向に加圧する加圧手段を追加した以外は同様である。

すなわち、図７に示すレーザー焼結装置２５は、レール３２に沿って移動する移動ステージ３３に設置され、粉末層１ａに接触して厚さ方向に加圧可能な加圧機構（加圧手段）３９をさらに備えている。移動ステージ３３がレール３２に沿って移動するとき、加圧機構３９もそれに伴って移動し得るようになっている。

加圧機構３９は、粉末層１ａの表面に平行な回転軸３９１と、その回転軸３９１周りに回転可能に設けられたローラー３９２と、回転軸３９１およびローラー３９２を図７の上下方向において移動可能な昇降装置３９３と、を備えている。ローラー３９２は、粉末層１ａを不用意に削るおそれが少ないので、粉末層１ａを目的とする厚さに潰しやすい。また、構造が簡単でかつ小型であるため、移動ステージ３３に設置されたとしても、移動ステージ３３の駆動を阻害し難い。

なお、ローラー３９２のうち、粉末層１ａに接触する部分は、必要に応じて、粉末層１ａとの付着を防止する材料で構成されていてもよい。さらに、粉末層１ａに接触する部分は、必要に応じて、粉末層１ａの付着を防止する材料表面処理が施されていたり、付着防止層が成膜されていたりしてもよい。

また、加圧機構３９は、図示しない配線を介して制御部４５と電気的あるいは光学的に接続されている。これにより、加圧機構３９の動作を制御部４５によって制御することが可能になっている。

なお、加圧機構３９の構成は、上述したものに限定されず、例えばローラー３９２に代えて、粉末層１ａを厚さ方向に圧縮する平板等、粉末層１ａを厚さ方向に加圧し得る任意の手段を用いることができる。

次に、図８および図９に示す構造物の形成方法について説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、レーザー焼結装置２５のホッパー３４にレーザー焼結用粉末１を設置する。次に、排出口３４ａから容器３０の底３０ａにレーザー焼結用粉末１が供給される。移動ステージ３３の移動とともに、供給されたレーザー焼結用粉末１の表面が均されるため、図８（ｂ）に示すように厚さがほぼ一定な１層目の粉末層１ａが形成される（粉末層形成工程）。

次に、表面が均された１層目の粉末層１ａの表面を、加圧機構３９により厚さ方向に加圧する（粉末層加圧工程）。これにより、１層目の粉末層１ａは、図８（ｃ）に示すように厚さ方向に潰されて体積が収縮し、圧密化が図られる。すなわち、ローラー３９２を回転させつつ、１層目の粉末層１ａの表面に沿ってローラー３９２を移動させることにより、ローラー３９２によって１層目の粉末層１ａが厚さ方向に潰される。このとき、容器３０の底３０ａとローラー３９２との距離を昇降装置３９３によって適宜調整することにより、圧密化の程度を制御することができる。なお、圧密化の程度の目安として、例えば、金属粒子２が焼結して焼結層１ｂが形成された場合、その焼結層１ｂの厚さと同程度になるように１層目の粉末層１ａを圧密化する例が挙げられる。

次に、図８（ｄ）に示すように、１層目の粉末層１ａに向けて熱風２３が流動される。これにより、１層目の粉末層１ａは加熱される。次に、１層目の粉末層１ａに集光するようにレーザー光４が照射される（レーザー焼結工程）。これにより、１層目の粉末層１ａには所定のパターンが描画される。その結果、図８（ｅ）に示すように、レーザー光４が照射された場所の１層目の粉末層１ａには、金属粒子２が焼結された焼結層１ｂが形成される。

次に、図８（ｆ）に示すように、１層目の粉末層１ａおよび焼結層１ｂの上に重なるようにレーザー焼結用粉末１の２層目の粉末層１ａが形成される（粉末層形成工程）。

次に、表面が均された２層目の粉末層１ａの表面を、加圧機構３９により厚さ方向に加圧する（粉末層加圧工程）。これにより、２層目の粉末層１ａは、図９（ａ）に示すように厚さ方向に潰されて体積が収縮し、圧密化が図られる。この場合も、圧密化の程度の目安として、金属粒子２が焼結して焼結層１ｂが形成されたとき、その焼結層１ｂの厚さと同程度になるように２層目の粉末層１ａを圧密化する例が挙げられる。

次に、図９（ｂ）に示すように、２層目の粉末層１ａに向けて熱風２３が流動される。これにより、２層目の粉末層１ａは加熱される。次に、２層目の粉末層１ａに集光するようにレーザー光４が照射される（レーザー焼結工程）。これにより、２層目の粉末層１ａには所定のパターンが描画される。その結果、図９（ｃ）に示すように、レーザー光４が照射された場所の２層目の粉末層１ａには、金属粒子２が焼結された焼結層１ｂが形成される。

その後、描画されて形成された焼結層１ｂに重なるように粉末層１ａを形成する工程と、粉末層１ａを厚さ方向に加圧する工程と、粉末層１ａに向けてレーザー光４を射出する工程と、をこの順で繰り返す。その結果、図９（ｄ）に示すように、容器３０には、所定のパターンに焼結された焼結層１ｂが多数積層された構造物４９が形成される。そして、図９（ｅ）に示すように、構造物４９を容器３０から取り出して構造物４９に付着したレーザー焼結用粉末１を除去することにより、構造物４９の製造が終了する。

以上のような形成方法で得られた構造物４９は、各粉末層１ａがそれぞれ加圧されるため、粉末層１ａにレーザー光４が照射されて金属粒子２が焼結するとき、その焼結に伴う体積収縮が最小限に留められる。

具体的には、粉末層１ａが加圧されていない状態で金属粒子２が焼結すると、レーザー焼結用粉末１の粒径や金属粒子２の粒径によっては、金属粒子２の焼結に伴ってその部分の粉末層１ａの体積が相対的に大きく収縮する場合がある。このような大きな収縮が生じると、金属粒子２の焼結に伴って形成された焼結層１ｂと、それに隣り合う粉末層１ａとの間には、体積の大きな差が生じ、焼結層１ｂと粉末層１ａとで厚さが異なってくる。そうなると、粉末層１ａを形成する工程とレーザー光４を射出する工程とを繰り返したとき、この厚さの差が累積することとなり、新たな粉末層１ａを形成するとき、その下地の状況、すなわち下地が粉末層１ａであるか、あるいは焼結層１ｂであるかによって、形成される新たな粉末層１ａの厚さが異なってしまうおそれがある。その結果、新たな粉末層１ａの厚さが不均一になり、目的とする形状の構造物４９を製造することが難しくなる。また、金属粒子２の焼結に伴ってその部分の粉末層１ａの体積が大きく収縮すると、それにより収縮していない粉末層１ａの陰に隠れる部分ではレーザー光４の照射が困難になるおそれがある。

これに対し、本実施形態のように、粉末層１ａを厚さ方向に加圧する工程を加えることにより、金属粒子２の焼結に伴う体積収縮の余地をあらかじめ潰しておくことができる。これにより、金属粒子２が焼結してもそれに伴う体積収縮を最小限に留めることができる。その結果、焼結層１ｂと粉末層１ａとの間における厚さの差を十分に小さくすることができ、新たな粉末層１ａを形成するとき、下地の状況によらず均一な厚さの粉末層１ａを形成することができる。また、金属粒子２の焼結に伴う収縮を十分に小さくすることができるので、レーザー光４の照射が粉末層１ａによって阻害されるのを防止することができる。

したがって、本実施形態によれば、金属粒子２の焼結に伴って粉末層１ａの体積が大きく収縮する場合であっても、製造される構造物４９の形状が設計値から大きくずれてしまうのを抑制することができ、構造物４９の寸法精度をより高めることができる。

なお、以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の作用、効果が得られる。

≪第３実施形態≫
次に、本発明の構造物の製造方法の第３実施形態について説明する。

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。また、図において、前述した実施形態と同様の事項については、同一符号を付している。

図１０および図１１は、それぞれ、レーザー焼結用粉末を用いて構造物を形成する方法（本発明の構造物の製造方法の第３実施形態）を説明するための模式図である。以下、図１０および図１１に基づいて、構造物を形成する方法を説明する。この方法でも、図７に示すレーザー焼結装置２５を用いる。

第３実施形態は、粉末層１ａを厚さ方向に加圧する工程のタイミングが異なる以外、第２実施形態と同様である。

具体的には、まず、図１０（ａ）に示すように、レーザー焼結装置２５のホッパー３４にレーザー焼結用粉末１を設置する。次に、排出口３４ａから容器３０の底３０ａにレーザー焼結用粉末１が供給される。移動ステージ３３の移動とともに、供給されたレーザー焼結用粉末１の表面が均されるため、図１０（ｂ）に示すように厚さがほぼ一定な１層目の粉末層１ａが形成される（粉末層形成工程）。

次に、図１０（ｃ）に示すように、１層目の粉末層１ａに向けて熱風２３が流動される。これにより、１層目の粉末層１ａは加熱される。次に、１層目の粉末層１ａに集光するようにレーザー光４が照射される（レーザー焼結工程）。これにより、１層目の粉末層１ａには所定のパターンが描画される。その結果、図１０（ｄ）に示すように、レーザー光４が照射された場所の１層目の粉末層１ａには、金属粒子２が焼結された焼結層１ｂが形成される。

次に、１層目の粉末層１ａの表面を、加圧機構３９により厚さ方向に加圧する（粉末層加圧工程）。これにより、１層目の粉末層１ａは、図１０（ｅ）に示すように厚さ方向に潰されて体積が収縮し、圧密化が図られる。すなわち、ローラー３９２を回転させつつ、１層目の粉末層１ａの表面に沿ってローラー３９２を移動させることにより、ローラー３９２によって１層目の粉末層１ａが厚さ方向に潰される。このとき、ローラー３９２の移動経路に焼結層１ｂが存在している場合、容器３０の底３０ａとローラー３９２との距離は、焼結層１ｂに依存し、それ以上狭めることができない。したがって、１層目の粉末層１ａの厚さは、焼結層１ｂの厚さと同程度になるまで圧密化されることとなる。なお、ローラー３９２の移動経路に焼結層１ｂが存在していない場合でも、１層目の粉末層１ａを圧密化するときは、焼結層１ｂの厚さと同程度になるようにするのが好ましい。これにより、１層目の粉末層１ａおよび焼結層１ｂに重なるように２層目の粉末層１ａを形成するとき、厚さの均一な粉末層１ａを形成しやすくなる。

次に、図１０（ｆ）に示すように、１層目の粉末層１ａおよび焼結層１ｂの上に重なるようにレーザー焼結用粉末１の２層目の粉末層１ａが形成される（粉末層形成工程）。

次に、図１１（ａ）に示すように、２層目の粉末層１ａに向けて熱風２３が流動される。これにより、２層目の粉末層１ａは加熱される。次に、２層目の粉末層１ａに集光するようにレーザー光４が照射される（レーザー焼結工程）。これにより、２層目の粉末層１ａには所定のパターンが描画される。その結果、図１１（ｂ）に示すように、レーザー光４が照射された場所の２層目の粉末層１ａには、金属粒子２が焼結された焼結層１ｂが形成される。

次に、２層目の粉末層１ａの表面を、加圧機構３９により厚さ方向に加圧する（粉末層加圧工程）。これにより、２層目の粉末層１ａは、図１１（ｃ）に示すように厚さ方向に潰されて体積が収縮し、圧密化が図られる。この場合も、ローラー３９２の移動経路に焼結層１ｂが存在している場合には、２層目の粉末層１ａの厚さは、焼結層１ｂの厚さと同程度になるまで圧密化されることとなる。

その後、描画されて形成された焼結層１ｂに重なるように粉末層１ａを形成する工程と、粉末層１ａに向けてレーザー光４を射出する工程と、粉末層１ａを厚さ方向に加圧する工程と、をこの順で繰り返す。その結果、図１１（ｄ）に示すように、容器３０には、所定のパターンに焼結された焼結層１ｂが多数積層された構造物４９が形成される。そして、図１１（ｅ）に示すように、構造物４９を容器３０から取り出して構造物４９に付着したレーザー焼結用粉末１を除去することにより、構造物４９の製造が終了する。

以上のような形成方法で得られた構造物４９は、粉末層１ａにレーザー光４が照射されて焼結層１ｂを形成した後、各粉末層１ａがそれぞれ加圧されるため、粉末層１ａおよび焼結層１ｂの表面の高さを揃えやすい。このため、粉末層１ａおよび焼結層１ｂの表面に新たな粉末層１ａを形成するとき、均一な厚さの粉末層１ａを形成することができる。その結果、目的とする形状の構造物４９を製造することができる。

なお、以上のような第３実施形態においても、第１、第２実施形態と同様の作用、効果が得られる。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
図１２および図１３は、ＳＵＳ３０１の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。図１２において、金属粒子２は、鉄、ニッケルおよびクロムを含む合金の粒子を形成して用いた。金属粒子２は水アトマイズ法により製造されている。そして、製造条件を変更することにより、平均粒径の異なる金属粒子２を得た。バインダーにはＰＶＡを用い、溶媒にはイオン交換水を用いた。

金属粒子２、バインダーおよび溶媒の混合物を、図３に示したスプレードライ装置の第２容器内に投入した。そして、吐出口１６からは金属粒子２、バインダーおよび溶媒からなる液滴を滴下し、液滴を回転板により分裂させて微小液滴とし、微小液滴は熱風により乾燥させてレーザー焼結用粉末１（造粒粉末）を得た。そして、液滴の大きさ、回転板の速度を変更することにより、各種類の平均粒径のレーザー焼結用粉末１を得た。

金属粒子２の平均粒径およびレーザー焼結用粉末１の平均粒径は、レーザー回折方式の粒度分布測定装置（マイクロトラック、日機装株式会社製、ＨＲＡ９３２０−Ｘ１００）により、質量基準の累積粒度分布における５０％累積時の粒径を取得した。

図１３において、例１〜例３６に示すように、平均粒径が約３μｍ〜１３μｍの金属粒子２を用いて造粒し、平均粒径が２５μｍ〜５５μｍのレーザー焼結用粉末１を形成した。例１では平均粒径が５．１μｍの金属粒子２を用いて造粒し、平均粒径が３０μｍのレーザー焼結用粉末１を形成した。そして、レーザー焼結用粉末１を焼結して構造物４９を形成した。

例１〜例１５に示すように金属粒子２の平均粒径が５μｍ〜１０μｍであり、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が３０μｍ〜５０μｍのときには形成した構造物の表面は光沢があり良い結果が得られた。

例１６〜例２０に示すように、金属粒子２の平均粒径が５μｍ〜１０μｍであり、かつ、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が５０μｍを超えるときには、形成した構造物の表面は光沢がなく悪い結果となった。例２１〜例２５に示すように、金属粒子２の平均粒径が５μｍ〜１０μｍであり、かつ、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が３０μｍ未満のときには、レーザー光４を照射するときに金属粒子２が移動して構造物は形状不良となった。従って、例２１〜例２５の条件では悪い結果となった。

例２６〜例３４に示すように、金属粒子２の平均粒径が１０μｍを超えており、かつ、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が３０μｍ〜５０μｍのときには、形成した構造物の表面は光沢がなく悪い結果となった。例３５および例３６に示すように、金属粒子２の平均粒径が５μｍ未満のとき、レーザー焼結用粉末１の粒径のバラツキが大きく正常なレーザー焼結用粉末１を造粒することができなかった。

図１４〜図１６は、鉄を主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。図１４〜図１６において、例３７〜例４８に示すように、金属粒子２の平均粒径が５μｍ〜１０μｍであり、かつ、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が３０μｍ〜５０μｍのときには、形成した構造物の表面は光沢があり良い結果が得られた。例４９に示すように、金属粒子２の平均粒径が１０μｍを超えており、かつ、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が５０μｍを超えるときには、形成した構造物の表面は光沢がなく悪い結果となった。同様に、例５０に示すように、金属粒子２の平均粒径が５μｍ〜１０μｍであっても、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が５０μｍを超えるときには、形成した構造物の表面は光沢がなく悪い結果となった。

図１７および図１８は、コバルトを主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。図１７および図１８において、例５１〜例５８に示すように、金属粒子２の平均粒径が５μｍ〜１０μｍであり、かつ、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が３０μｍ〜５０μｍのときには、形成した構造物の表面は光沢があり良い結果が得られた。

図１９および図２０は、ニッケルを主体とする各種類の金属粒子を焼結した実施例を示す図である。図１９および図２０において、例５９〜例６４に示すように、金属粒子２の平均粒径が５μｍ〜１０μｍであり、かつ、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が３０μｍ〜５０μｍのときには、形成した構造物の表面は光沢があり良い結果が得られた。

図２１は、ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を焼結した実施例を示す図である。図２１において、金属粒子２は、鉄、ニッケルおよびクロムを含む合金の粒子を形成して用いた。金属粒子２は水アトマイズ法またはガスアトマイズ法により製造されている。そして、製造条件を変更することにより、水アトマイズ法およびガスアトマイズ法のそれぞれで平均粒径の異なる金属粒子２を得た。バインダーにはＰＶＰを用い、溶媒にはイオン交換水を用いた。

図２１において、例６５〜例７０に示すように、レーザー焼結用粉末１の平均粒径が金属粒子２の平均粒径の３倍以上１０倍以下であるときには、形成した構造物の表面は光沢があり良い結果が得られた。

また、水アトマイズ法により製造された金属粒子２を用いた場合は、ガスアトマイズ法により製造された金属粒子を用いた場合に比べて、形成した構造物の寸法精度が高い（設計値からのずれが小さい）ことが認められた。なお、この寸法精度は、構造物４９の高さ（厚さ）の実測値と設計値とのずれの大きさを比較することにより評価した。

なお、例６５〜例７０において、金属粒子２のアスペクト比を比較したところ、水アトマイズ法により製造された金属粒子２のアスペクト比（短軸Ｓ／長軸Ｌ）の平均値は、０．５４〜０．７５程度であったのに対し、ガスアトマイズ法により製造された金属粒子２のアスペクト比の平均値は、０．８６〜０．９４とやや高かった。

図２２は、ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を用い、レーザー焼結工程（露光）よりも前に行われる粉末層加圧工程を付加して焼結した実施例を示す図である。図２２においても、金属粒子２は水アトマイズ法またはガスアトマイズ法により製造されている。そして、製造条件を変更することにより、水アトマイズ法およびガスアトマイズ法のそれぞれで平均粒径の異なる金属粒子２を得た。バインダーにはＰＶＰを用い、溶媒にはイオン交換水を用いた。

図２２において、例７１〜例７６に示すように、水アトマイズ法により製造された金属粒子２を用いた場合は、ガスアトマイズ法により製造された金属粒子を用いた場合に比べて、形成した構造物の寸法精度が高い（設計値からのずれが小さい）ことが認められた。

さらに、図２１と図２２とを比較することにより、レーザー焼結工程（露光）よりも前に粉末層加圧工程を設けることにより、粉末層加圧工程を設けない場合に比べて、製造される構造物４９の寸法精度を高められることが認められた。

図２３は、ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を用い、レーザー焼結工程（露光）よりも後に行われる粉末層加圧工程を付加して焼結した実施例を示す図である。図２３においても、金属粒子２は水アトマイズ法またはガスアトマイズ法により製造されている。そして、製造条件を変更することにより、水アトマイズ法およびガスアトマイズ法のそれぞれで平均粒径の異なる金属粒子２を得た。バインダーにはＰＶＰを用い、溶媒にはイオン交換水を用いた。

図２３において、例７７〜例８２に示すように、水アトマイズ法により製造された金属粒子２を用いた場合は、ガスアトマイズ法により製造された金属粒子を用いた場合に比べて、形成した構造物の寸法精度が高い（設計値からのずれが小さい）ことが認められた。

さらに、図２１と図２３とを比較することにより、レーザー焼結工程（露光）の後に粉末層加圧工程を設けた場合でも、粉末層加圧工程を設けない場合に比べて、製造される構造物４９の寸法精度を高められることが認められた。

図２４は、ＳＵＳ３１６Ｌの金属粒子を用い、造粒方法としてスプレードライ法または転動造粒法を用いるとともに、粉末層加圧工程を付加して焼結した実施例を示す図である。図２４において、金属粒子２は水アトマイズ法により製造されている。そして、製造条件を変更することにより、平均粒径の異なる金属粒子２を得た。バインダーにはＰＶＡを用い、溶媒にはイオン交換水を用いた。

図２４において、例８３〜例８８に示すように、スプレードライ法により製造されたレーザー焼結用粉末１を用いた場合は、転動造粒法により製造されたレーザー焼結用粉末１を用いた場合に比べて、形成した構造物の寸法精度が高いことが認められた。

なお、例８３〜例８５で製造されたレーザー焼結用粉末１の断面を電子顕微鏡で観察したところ、個数比で５０％以上の粒子の内部に空孔の存在が認められた。このうち、１００個について空孔の体積比を算出したところ、５〜５０体積％程度であった。

一方、例８６〜例８８で製造されたレーザー焼結用粉末１の断面を電子顕微鏡で観察したところ、内部に空孔の存在が認められた粒子はほとんどなかった（個数比で２０％以下）。

上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、レーザー焼結用粉末１は複数の金属粒子２がバインダー３により結合されている。レーザー焼結用粉末１は所定の厚みに配置される。そして、レーザー焼結用粉末１にレーザー光４が照射されるとき、レーザー光４に照射された金属粒子２は加熱され、バインダー３は分解して気体化する。このとき、レーザー焼結用粉末１の浅い場所には大きなエネルギーが加えられ、深い場所には小さなエネルギーが加えられる。金属粒子２が小さいときには金属粒子２の熱容量を小さくすることができるので、金属粒子２の温度を容易に高くすることができる。従って、深い場所に位置する金属粒子２の温度を高くすることができる為、焼結された金属は深い場所でも確実に焼結することができる。

（２）本実施形態によれば、レーザー焼結用粉末１は所定の厚みに粉末層１ａを配置する工程とレーザー光４により所定のパターンを描画する工程とが繰り返して行われる。レーザー光４による金属粒子２の加熱が深さ方向で差があるときには、焼結が完全に行われた層と不完全に焼結された層とが積層された層となる。本実施形態のレーザー焼結用粉末１では金属粒子２の粒径が小さいのでレーザー光４による金属粒子２の加熱が深さ方向で差が生じることが抑制される。その結果、レーザー焼結した構造物４９は、図中左右側の側面においても光沢のある表面にすることができる。さらに、レーザー焼結用粉末１にレーザー光４を照射して形成した構造物４９は、強度において深さ方向の異方性の少ないものとなる。さらに、レーザー焼結した構造物４９を層間における剥離が生じ難い構造物４９にすることができる。

（３）本実施形態によれば、レーザー焼結用粉末１の平均粒径は３０μｍ以上５０μｍ以下である。所定の厚みに配置してレーザー光４にて描画するとき、平均粒径が３０μｍ以上５０μｍ以下のレーザー焼結用粉末１は舞い上がり難い粉末である。従って、精度良い厚みに金属を焼結することができる為、精度良く構造物４９を形成することができる。

（４）本実施形態によれば、金属粒子２の平均粒径は５μｍ以上１０μｍ以下である為、金属粒子２の熱容量を小さくして加熱時の温度を上昇し易くすることができる。その結果、金属粒子２を品質良く焼結することができる為、品質良く構造物４９を形成することができる。

（５）本実施形態によれば、金属粒子２は溶融せずに焼結される温度に加熱される。仮に、金属が溶融するまで加熱されるときは溶融した金属が重力の作用する方向へ流動してしまう。金属が溶融するまで加熱されるのではなく、焼結される温度に留めて加熱されることにより、精度良く描画された形状に金属を形成することができる。従って、構造物４９の形状を精度良く形成することができる。

（６）本実施形態によれば、金属粒子２は厚み方向に整列して配置される。従って、構造物４９の側面を表面粗さの小さい面にすることができる。

なお、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
前記実施形態では、粉末層１ａにレーザー光４を照射して粉末層１ａを焼結させている。さらに、焼結層１ｂを加熱しても良い。これにより、剥離強度の強い構造物４９にすることができる。

（変形例２）
前記実施形態では、焼結層１ｂを積層して構造物４９を形成している。さらに、構造物４９に熱処理を加えても良い。構造物４９の性能を改良することができる。他にも、後加工として表面処理を施しても良い。

（変形例３）
前記実施形態では、スキャナー４１がレーザー光４を走査している。ＸＹステージ２８が容器３０を走査しても良い。そして、スキャナー４１を除外してミラー４１ａを固定しても良い。これにより、レーザー焼結装置２５を製造し易くすることができる。

（変形例４）
前記実施形態では、レーザー焼結装置２５に熱風送風部４３が設置されている。レーザー焼結用粉末１に熱風２３をあてなくてもレーザー光４により金属粒子２を焼結できるときには熱風送風部４３は加熱手段を有さない送風部であってもよい。または熱風送風部４３および送風管４４を設置しなくても良い。これにより、レーザー焼結装置２５の構成要素を減らして製造し易くすることができる。

（変形例５）
前記実施形態では、レーザー焼結工程の前または後に、粉末層加圧工程を行っているが、レーザー焼結工程の前と後の双方に、粉末層加圧工程を行うようにしてもよい。これにより、より一層、製造される構造物４９の寸法精度を高めることができる。

１ レーザー焼結用粉末
１ａ 粉末層
１ｂ 焼結層
２ 金属粒子
３ バインダー
４ レーザー光
５ スプレードライ装置
６ 第１容器
６ａ 天井
７ 円板回転部
８ 原料滴下部
９ 熱風送風部
１０ モーター
１０ａ 回転軸
１１ 回転板
１２ 第２容器
１３ 溶媒
１４ モーター
１４ａ 回転軸
１５ 羽根車
１６ 吐出口
１６ａ 電磁弁
１７ 液滴
１８ モーター
１８ａ 回転軸
２１ 羽根車
２２ ヒーター
２３ 熱風
２４ 微小液滴
２５ レーザー焼結装置
２６ ＸＹＺステージ
２７ テーブル
２８ ＸＹステージ
２９ 昇降装置
３０ 容器
３０ａ 底
３１ 粉末供給装置
３２ レール
３３ 移動ステージ
３４ ホッパー
３４ａ 排出口
３５ 電磁弁
３６ 板
３７ レーザー照射部
３８ レーザー光源
３９ 加圧機構
３９１ 回転軸
３９２ ローラー
３９３ 昇降装置
４１ スキャナー
４１ａ ミラー
４２ 集光レンズ
４３ 熱風送風部
４４ 送風管
４４ａ 噴出口
４５ 制御部
４６ チャンバー
４７ 不活性ガス
４８ 不活性ガス供給部
４９ 構造物

Claims (13)

1. レーザー光を照射して焼結されるレーザー焼結用粉末であって、
   複数の金属粒子と、
   前記複数の金属粒子を互いに結合するバインダーと、を有し、
   前記バインダーは、前記レーザー光により分解されて気体化する材料を含むことを特徴とするレーザー焼結用粉末。
2. 前記金属粒子の平均粒径は５μｍ以上１０μｍ以下であり、前記レーザー焼結用粉末の平均粒径は３０μｍ以上５０μｍ以下である請求項１に記載のレーザー焼結用粉末。
3. 前記レーザー焼結用粉末の平均粒径が、前記金属粒子の平均粒径の３倍以上１０倍以下である請求項１または２に記載のレーザー焼結用粉末。
4. 前記金属粒子は、鉄、ニッケルおよびコバルトのうちのいずれかを主成分としてアトマイズ法によって製造される請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー焼結用粉末。
5. 前記金属粒子は、鉄を主成分としてニッケル、クロム、モリブデンおよびカーボンのうちの少なくとも１つを含む請求項４に記載のレーザー焼結用粉末。
6. 前記バインダーは、ＰＶＡである請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー焼結用粉末。
7. レーザー光を照射して焼結されるレーザー焼結用粉末であって、
   アトマイズ法により製造された複数の金属粒子がスプレードライ法により造粒されてなる造粒粒子を有し、
   前記造粒粒子は、内部に空孔を有していることを特徴とするレーザー焼結用粉末。
8. 複数の金属粒子がバインダーにより結合されているレーザー焼結用粉末からなる粉末層を形成する粉末層形成工程と、
   前記粉末層にレーザー光を射出し所定のパターンを描画して前記バインダーを気体化させて前記金属粒子を焼結させるレーザー焼結工程と、
   を有し、
   描画された前記粉末層に重ねて前記粉末層を形成する前記粉末層形成工程と前記レーザー焼結工程とを繰り返すことにより、前記金属粒子が焼結された構造物を形成することを特徴とする構造物の製造方法。
9. 前記レーザー光により照射される前記金属粒子は、溶融しない温度に加熱されて焼結される請求項８に記載の構造物の製造方法。
10. さらに、前記粉末層を厚さ方向に加圧する粉末層加圧工程を有する請求項８または９に記載の構造物の製造方法。
11. 複数の金属粒子がバインダーにより結合されているレーザー焼結用粉末を用いて粉末層を形成する粉末層形成手段と、
    前記粉末層に向けてレーザー光を射出するレーザー光源と、を有することを特徴とする構造物の製造装置。
12. さらに、前記粉末層を厚さ方向に加圧する加圧手段を有する請求項１１に記載の構造物の製造装置。
13. 前記加圧手段は、前記粉末層に接触可能なローラーを含む請求項１２に記載の構造物の製造装置。

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