JP2016196694A - 積層造形方法および積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結式金属粉末積層造形法で生成された三次元造形物の表面加工で巣が目立ち均一な面粗度にするのを妨げることがある。【解決手段】金属の粉体層（８）を形成し、造形物モデルの各分割層（４９）の輪郭形状で囲まれた第１照射領域に第１レーザ光を照射して材料粉体を焼結して焼結層（５０）を形成する焼結工程と、焼結工程を繰り返す度に形成される焼結層のうちの所定の下層（Ｑｄ）から上層（Ｑｕ）までの範囲（Ｑａ）の中で１又は複数の焼結工程を実施する度に焼結層（５０ｃ）の上面の少なくとも一部好ましくは当該焼結層（５０ｃ）の直上の分割層（４９ｄ）の輪郭形状で囲まれた領域の一部又は全部から成る第２照射領域（４５０ｃ）に第１レーザ光よりも小さいレーザ強度で表面を溶融させる第２レーザ光を照射して焼結層（５０ｃ）を選択的に溶融して上面（５１ｃ）を改質する表面改質工程とを含む複数の単位工程からなる積層造形工程を実行する。【選択図】図７

Description

この発明は、積層造形方法及び積層造形装置に関する。

レーザ光による焼結式金属粉末積層造形法においては、平均粒径が数十μｍの金属材料粉体を４０μｍないし１００μｍ程度の所定単位高さで均一に平坦化して粉体層を形成し、この粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して材料粉体を焼結させる工程を繰り返すことによって、複数の焼結層を積層一体化して所望の金属製の三次元造形物を生成する。レーザ光の照射によって所定箇所の材料粉体が焼結すると、粉体層が固化して縮小し、厚さが５０μｍ前後の焼結層が形成される。比較的高い面粗さと形状精度が要求される造形物を生成するために、数十層の焼結層を形成する毎に、一旦焼結層の形成を中断して、切削加工によって側面ないしは上面の形状を整える造形方法が知られている。

レーザ光は、大面積照射が可能な電子ビームと異なり、スポット的に照射されるので、各分割層毎に照射領域の平面形状（輪郭形状）に対応して走査経路を設定し、レーザ光を照射領域内の走査経路に沿って照射するようにされている。そのため、照射領域の全面に渡って均一の温度で金属粉体を焼結することができず、焼結層の上面を平坦にすることが困難である。均等に加圧圧縮されない状態で焼結させるので、上面が平坦ではない焼結層の上に材料粉体を撒布して平坦化し一定のレーザ強度でレーザ光を照射していくと、照射領域における粉体層の縮小の度合いと焼結密度にばらつきが発生し、大小様々な空間が生成される。また、焼結体の側面には、避けることができない段差が生じ、側面の各焼結層の間に露出する望ましくない空間が形成されることが知られている。なお、本発明においては、分割層に造形物の空洞になる部位がある場合は、分割層における輪郭形状は、空洞になる領域を除いたドーナツ形状になる。

例えば、特許文献１に、焼結体の側面における階段状の表面に沿って、焼結層を形成する際に照射するジャストフォーカスのレーザ光に比べて焼結層の積層厚みの１／２だけ下方へ焦点をずらしたパンフォーカスにし、またレーザ強度を３０〜８０％低下させるようにしたレーザ光を再度照射して、段差部分に付着する未焼結の金属粉末を溶融させて当該段差部分の空間を埋めるようにして、造形物の階段状の表面を平滑化させる表面仕上げ加工手段が開示されている。特許文献１の発明によると、焼結体の側面に露出する空間をなくすことができる。

特許第３４４６６１８号公報

焼結体の表面の比較的大きなうねりは、面粗さを均一に小さくするための切削加工による仕上げ加工によって除去することが可能である。また、焼結体の側面においては、数十層の焼結層を形成する毎に余分な突出部位を露出する空間ごと削り落としてしまうことによって、凹凸をなくすことができるかも知れない。造形中に最上層の焼結層の上面にできる突出部位は、材料粉体を平坦に均すためのブレードが移動するときの障害になることがあるため、切削加工によって除去することがある。しかしながら、極小さな穴は残されたままになる。その結果、数十層の焼結層を形成する間に焼結体の内外に“巣”と称される多数の小さな空隙ができる。

造形物が樹脂成形金型である場合のように、極めて小さい面粗さの平滑な表面を得るために、例えば、放電加工による仕上げ加工を行なうときには、要求される面粗さに対して放電痕よりも造形物の表面に現れている巣穴のほうが遥かに深くてエッジがあるために、期待される面粗さを得ることができない。とりわけ、多数の巣によって空洞組織化している状態であると、造形物に要求される強度を得ることができないおそれがある。また、ベースプレート（造形プレート）から造形物を切り離したり、造形物を複数のブロックに分割したり、造形物の表面から不要な部位を除去するために、ワイヤカット放電加工のような切断加工によって造形物を切断したときに、研磨によって除去することができない多数の巣穴が切断面に現れて、製品として利用することができなくなる可能性がある。

そこで、本発明では、造形物の内外に巣がより残されにくくすることによって、複数の焼結層を積層一体化して成る造形物の表面の面粗度を加工手段を問わず均一に加工しやすくすることを目的とする。

本発明の積層造形方法では、所望の三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高で水平面で分割してなる各分割層に対応する金属材料の粉体層を形成し、造形物モデルの各分割層の輪郭形状で囲まれた第１照射領域に第１レーザ光を照射して第１照射領域内の粉体層の材料粉体を選択的に焼結して焼結層を形成する焼結工程と、焼結工程を繰り返す度に形成される焼結層のうちの所定の下層から所定の上層までの範囲の中で、１または複数の焼結工程を実施する度に、焼結層の上面における第１照射領域内の少なくとも一部から成る第２照射領域に第１レーザ光よりも小さいレーザ強度で表面を溶融させる第２レーザ光を照射して第２照射領域内の焼結層を選択的に溶融して表面を改質する表面改質工程とを含む複数の単位工程からなる積層造形工程を実行することによって造形物を生成することを特徴とする。

また、本発明の積層造形方法では、表面改質工程における第２照射領域が、焼結層の上面のうちの当該焼結層の直上の分割層の輪郭形状で囲まれた領域の一部または全部から成ると良い。

また、本発明の積層造形方法では、１または複数の焼結工程を実施する度に焼結層に対して切削加工を行う切削工程を含む複数の単位工程からなる積層造形工程を実行することによって造形物を生成すると良い。

また、本発明の積層造形方法では、表面改質工程における第２レーザ光が焼結層に照射される際に第２照射領域に対して水平方向に揺動しながら走査されるようにして照射されると良い。

また、本発明の積層造形方法では、焼結工程における第１レーザ光が材料粉体層に照射される際に第１照射領域に対して水平方向に揺動しながら走査されるようにして照射されると良い。

また、本発明の積層造形装置では、上記に記載の積層造形方法によって造形物を生成することを特徴とする。

本発明では、１または複数の焼結工程を実施する度に、これから新しく形成する焼結層の下地となるすでに形成した焼結層の上面の凹凸を当該上面が材料粉体で覆われる前に予め平滑にしておくことで、巣が焼結層と焼結層の間に形成されることを防止して造形物の内外に巣がより残されにくくすることによって、複数の焼結層を積層一体化して成る造形物を加工する際に面粗度を均一に加工しやすくすることが可能になる。

本発明の積層造形方法が適用される積層造形装置２の概略構成図である 粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３の斜視図である。 リコータヘッド１１の斜視図である。 リコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 （ａ）は所望形状の造形物４７の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の造形物のモデルの斜視図、（ｃ）は、（ｂ）のモデルを所定単位高で水平面で分割した状態を示す斜視図である。 焼結層５０を積層させて得られる造形物４７の斜視図である。 （ａ）は造形物のモデルを用いて第２照射領域を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）で示す第２照射領域に対応して表面改質される焼結層を示す斜視図である。 （ａ）は造形物のモデルを利用した別の第２照射領域を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）で示す第２照射領域に対応して表面改質される焼結層を示す斜視図である。 図１の積層造形装置２を用いた積層造形方法の説明図である。 図１の積層造形装置２を用いた積層造形方法の説明図である。 図１の積層造形装置２を用いた積層造形方法の説明図である。 （ａ）本発明の積層造形工程の流れを示すフローチャート、（ｂ）切削工程を含む本発明の積層造形工程の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

図１と図２に示すように、本発明の積層造形方法が適用される積層造形装置２は、所要の造形領域Ｒを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ１と、チャンバ１内で移動しながら造形領域Ｒ上に金属材料粉体を供給し且つ平坦化して粉体層８を形成するリコータヘッド１１と、粉体層８の所定箇所に第１レーザ光Ｌ１を照射して照射位置の材料粉体を焼結させるとともに焼結層の所定箇所に第１レーザ光Ｌ１よりも小さいレーザ強度で表面を溶融させる第２レーザ光Ｌ２を照射して照射位置の焼結層を溶融して表面を改質して平滑化させるためのレーザ光照射部１３を備える。

チャンバ１内には、粉体層形成装置３が設けられる。粉体層形成装置３は、造形領域Ｒを有するベース４と、ベース４上に配置され且つ水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に移動可能に構成されたリコータヘッド１１と、リコータヘッド１１の移動方向に沿って造形領域Ｒの両側に設けられた細長部材９ｒ，９ｌとを備える。造形領域Ｒには、駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動可能な造形テーブル５が設けられる。積層造形装置２の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、造形テーブル５上に粉体層８が形成される。

造形テーブル５を取り囲むように粉体保持壁２６が設けられており、粉体保持壁２６と造形テーブル５によって囲まれる粉体保持空間に未焼結の材料粉体が保持される。粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部２７が設けられ、積層造形の完了後に、造形テーブル５を降下させることによって、未焼結の材料粉体が粉体排出部２７から排出され、排出された材料粉体は、シューターガイド２８によってシューターに案内され、シューターを通じてバケット（共に図示せず）に収容される。

リコータヘッド１１は、図２から図４に示すように、材料収容部１１ａと、材料収容部１１ａの上面に設けられた上面開口部１１ｂと、材料収容部１１ａの底面に設けられ且つ材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する材料排出口１１ｃとを備える。材料排出口１１ｃは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット状の細長い形状を有する。リコータヘッド１１の両側面には材料排出口１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して粉体層８を形成するブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられる。また、リコータヘッド１１の両側面には、材料粉体の焼結時に発生するヒュームを吸引するヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓが設けられる。ヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に沿って設けられる。材料粉体は、例えば、金属粉（例：鉄粉）であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。

細長部材９ｒ，９ｌにはそれぞれリコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に沿って開口部が設けられる。これらの開口部の一方が不活性ガス供給口として利用され、他方が不活性ガス排出口として利用されることによって、造形領域Ｒ上に矢印Ｃ方向の不活性ガスの流れができるので、造形領域Ｒで発生したヒュームがこの不活性ガスの流れに沿って容易に排出される。なお、本明細書において、「不活性ガス」とは、材料粉体と実質的に反応しないガスであり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが例示される。

チャンバ１の上方にはレーザ光照射部１３が設けられる。図２に示すように、レーザ光照射部１３は、レーザ光Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）を出力するレーザ光源４２と、レーザ光源４２から出力されたレーザ光Ｌを二次元走査する一対のガルバノミラー４３ａ，４３ｂと、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ４４とを備える。ガルバノミラー（Ｘ軸）４３ａは、レーザ光Ｌを矢印Ｂ方向（Ｘ軸方向）に走査し、ガルバノミラー（Ｙ軸）４３ｂは、レーザ光Ｌを矢印Ｃ方向（Ｙ軸方向）に走査する。ガルバノミラー４３ａ，４３ｂは、それぞれ、回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御されるので、ガルバノミラー４３ａ，４３ｂに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって所望の位置にレーザ光Ｌの照射位置を移動させることが可能になっている。集光レンズ４４の例は、fθレンズである。

集光レンズ４４を通過したレーザ光Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）は、チャンバ１に設けられたウィンドウ１ａを透過して、焼結用の第１レーザ光Ｌ１であれば造形領域Ｒに形成された粉体層８に照射され、後述される表面改質用の第２レーザ光Ｌ２であれば造形領域Ｒに形成された焼結層にそれぞれ照射される。レーザ光Ｌは、第１レーザ光Ｌ１が材料粉体を焼結可能なもので、第２レーザ光Ｌ２が焼結層５０、特に焼結層５０の上面を溶融可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光Ｌがファイバーレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。ここで、レーザ光照射部１３は、例えば、照射するレーザ光Ｌの走査速度を調整して照射面に対する照射時間を変更する方法や照射するレーザ光Ｌのフォーカスを調整して集光密度を変更する方法やレーザ光源４２のレーザ光出力を調整する方法など、各種方法や各種手段を用いて、焼結用の第１レーザ光Ｌ１と、その第１レーザ光Ｌ１より照射面に対するレーザ強度が小さい状態で焼結層を溶融するようにしてその表面を改質し平滑化するための表面改質用の第２レーザ光Ｌ２と、を切り換え可能に照射する。レーザ光Ｌの走査速度の調整は、ガルバノスキャナを用いて行われる。第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１に比べて走査速度が高速になるように調整して、第１レーザ光Ｌ１に比べて小さいレーザ強度に調整されても良い。レーザ光Ｌのフォーカスの調整は、例えば、集光レンズ４４の調整、造形テーブル５の上下方向の移動など、適宜に各種方法や各種手段を用いて行なわれると良い。レーザ光源４２のレーザ光出力を小さくしたり、レーザ光Ｌのフォーカスをずらしたりするなどして、照射面に対するレーザ強度が低下するように、別の言い方をすれば、単位照射面積当たりのエネルギーであるエネルギー密度が低下するように調整される第２レーザ光Ｌ２の場合には、第１レーザ光Ｌ１に比べて焼結層の上面を均すようにゆっくりと溶融する傾向にあるので、第１レーザ光Ｌ１に比べて走査速度が低速になるように調整されても良い。また、第１レーザ光Ｌ１のレーザ光照射部と第２レーザ光Ｌ２のレーザ光照射部を別々に備えるようにしても良い。また、レーザ光照射部１３は、ガルバノミラー４３ａ，４３ｂを制御し、または、ガルバノミラー４３ａ，４３ｂを超音波振動させるなど、各種方法や各種手段を用いて、第１レーザ光Ｌ１または／および第２レーザ光Ｌ２をＸＹ平面上の所定の走査経路に沿って照射位置を移動させながら、水平方向に僅かに照射位置を揺動させるように照射させるようにしても良い。本発明では、このようなレーザ光の動作を揺動動作と総称する。揺動動作は、レーザ光Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）が重畳的に照射されやすくして、レーザ光Ｌを均一に照射することに効果があり、焼結層の上面をさらに平滑にする効果をもたらす。

チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム付着防止部１７が設けられる。付着防止部１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄空間１７ｆに充満される。そして、清浄空間１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じて付着防止部１７の下方に向かって噴出される。

チャンバ１内には、エンドミルなどの回転切削工具を装着して回転させることができるように構成されたスピンドルヘッド（図示省略）が三次元移動可能に配置されている。この回転切削工具を用いて、所定数の焼結層が形成される度に、焼結層に対して切削加工が行われる。また、リコータヘッド１１が焼結層の隆起部に衝突したときにも、隆起部を除去するために焼結層に対して切削工程が行われる。

次に、チャンバ１への不活性ガス供給系統と、チャンバ１からのヒューム排出系統について説明する。

チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、不活性ガスのガスボンベである。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にダクトボックス２１，２３を有する。チャンバ１から排出されたガス（ヒュームを含む不活性ガス）は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１へ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。

不活性ガス供給系統は、図１に示すように、チャンバ１の上部供給口１ｂと、付着防止部１７の不活性ガス供給空間１７ｄと、細長部材９ｌにそれぞれ接続される。上部供給口１ｂを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内に不活性ガスが充填される。細長部材９ｌ内に供給された不活性ガスが開口部を通じて造形領域Ｒ上に排出される。

本実施形態では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが上部供給口１ｂに送られ、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスが不活性ガス供給空間１７ｄ及び細長部材９ｌに送られるように構成されている。ヒュームコレクタ１９からの不活性ガス中には除去しきれなかったヒュームが残留するおそれがあるが、本実施形態の構成では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが特に高い清純度が要求される空間（清浄空間１７ｆ及び造形領域Ｒ近傍の空間）に供給されないので、残留ヒュームの影響を最小限にすることができる。

チャンバ１からのヒューム排出系統は、図１に示すように、チャンバ１の上部排出口１ｃと、リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｒにそれぞれ接続される。上部排出口１ｃを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内の、ヒュームを含む不活性ガスが排出されることによって、造形空間１ｄ内に上部供給口１ｂから上部排出口１ｃに向かう不活性ガスの流れが形成される。リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１が造形領域Ｒ上を通過する際に造形領域Ｒで発生したヒュームを吸引することができる。また、細長部材９ｒの開口部を通じてヒュームを含む不活性ガスがチャンバ１外に排出される。ヒューム排出系統は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に接続されており、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが取り除かれた後の不活性ガスが再利用される。

次に、上記の積層造形装置２を用いた本発明の焼結式金属粉末積層造形方法について説明する。この本発明の積層造形方法は、積層造形装置２が数値制御装置（ＮＣ）とレーザ制御装置（ガルバノスキャナ）とで成る制御装置（図示省略）の制御下で動作して実行される。制御装置は、別途設けたコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）装置（図示省略）において生成された造形データを受信し、この造形データに基づいて積層造形の制御を行う。

ここで、図５（ａ）に示す三次元形状を有する造形物４７を本発明の積層造形方法によって生成する場合を例に挙げて、ＣＡＭ装置での造形データの生成及びこの造形データに基づく制御について説明する。本発明の積層造形方法では、理想的には、所望の三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高さで水平面で分割してなる分割層毎に、第１レーザ光Ｌ１を所定の第１照射領域に照射して焼結層を形成した後、焼結層の全面にわたって第２レーザ光Ｌ２を照射して焼結層を高密度に仕上げる。しかしながら、焼結式金属粉末積層造形の原理上、所望の造形物４７を創成するまでに相当の時間を要するので、各分割層毎に第２レーザ光Ｌ２を照射するようにすると、造形作業の効率が著しく低下してしまう。そこで、以下に詳しく説明する実施の形態の積層造形方法では、所望の造形物４７の仕様に応じて第２レーザ光Ｌ２を照射する工程と第２レーザ光Ｌ２を照射する第２照射領域を決める。例えば、表面にだけ小さい面粗さが要求される造形物４７の場合は、造形物４７の表面から少なくとも数百μｍ程度、言い換えると、造形物４７の表面から少なくとも数層内側に形成される焼結層以降に積層されることになる各焼結層において、各分割層毎に所定の第１レーザ光Ｌ１を所定の第１照射領域に照射して焼結層を形成するとともに第２レーザ光Ｌ２を所定の第２照射領域に照射する。特に、造形物４７の表面のうちの所要の領域に限ってより小さい面粗さが要求される造形物４７の場合は、第２照射領域を所要の照射領域に限定して第２レーザ光Ｌ２を照射することで目的を達成できる。具体的に、例えば、射出成形用金型の雌型を創成する場合、造形物４７の表面から少なくとも数層分程度内側に形成される焼結層以降に積層されることになる焼結層において、各分割層毎に、造形物４７における所定の第１照射領域の全面に第１レーザ光Ｌ１を照射して焼結した後、より小さい面粗さが要求されるキャビティの表面及びその近傍に相当する所要の第２照射領域に第２レーザ光Ｌ２を照射する。そして、全体に対してより大きい強度が要求される造形物４７の場合では、材料粉体の種類等に対応して、例えば、造形を開始する最初の分割層となる１層目から造形を終了する最後の分割層となる最終層目までの範囲の中で、十数層毎に焼結層の全面にわたって所定の第２レーザ光Ｌ２を照射するようにする。

まず、図５（ｂ）から（ｃ）に示すように、ＣＡＭ装置において、所望の三次元形状を有する造形物４７をコンピュータ上でモデル化した造形物モデル４８を作成し、このモデル４８を所定単位高で水平面で分割して分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆを形成する。ＣＡＭ装置は、分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆのそれぞれの輪郭形状で囲まれた領域が第１レーザ光Ｌ１を照射すべき第１照射領域４５ａ，４５ｂ，・・・４５ｆとなり、第１照射領域の全体に渡って第１レーザ光Ｌ１が照射されるように走査経路を設定する。積層造形装置２では、図５と図６に示すように、ＣＡＭ装置で設定された走査経路に沿って第１レーザ光Ｌ１を粉体層８に対して照射することによって材料粉体を選択的に焼結させて、分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆに対応した形状を有する焼結層５０ａ，５０ｂ，・・・５０ｆを形成すると共にこれらの層を互いに融合させる焼結工程が行われる。

ここで、焼結工程について、より詳細に説明する。まず、造形テーブル５上に造形プレート７を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を図１の矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、造形テーブル５上に１層目の粉体層８を形成する。次に、第１照射領域４５ａ内の粉体層８中の所定部位に第１レーザ光Ｌ１を照射することによって粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図９に示すように、１層目の焼結層５０ａを得る。次に、造形テーブル５の高さを粉体層８の１層分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、焼結層５０ａを覆うように造形テーブル５上に２層目の粉体層８を形成する。次に、上記と同様の方法に従って、第１照射領域４５ｂ内の粉体層８中の所定部位に第１レーザ光Ｌ１を照射することによって粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図１０に示すように、２層目の焼結層５０ｂを得る。以上の工程を繰り返すことによって、３層目の焼結層５０ｃ、４層目の焼結層５０ｄ、５層目以降の焼結層が形成される。隣接する焼結層は、互いに強く固着される。

なお、ここでは、説明の便宜上、分割層４９及び焼結層５０の数を６つにしたが、分割層４９及び焼結層５０の実際の層数は、（造形物４７の高さ／分割層４９の厚さ）によって算出され、例えば造形物４７の高さが１００ｍｍで、分割層４９の厚さが５０μｍである場合、層数は、２０００となる。

また、造形物４７の表面精度を高める等の目的で、１層または複数層の焼結層５０を形成する度に、焼結層５０に対して、スピンドルヘッドに装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程が実施される。ＣＡＭ装置では、この切削加工のための回転切削工具の種類や走査経路も設定される。具体的には、例えば、分割層４９の数が５０層毎に１回以上の切削加工工程を実施して、一旦途中まで生成されている焼結体の上面と側面の形状を整える。また、各分割層４９毎に、ブレード１１ｆｂ，１１ｒｂの移動の障害になる突起が形成されているときは、該当する焼結層５０の上面から突起を除去するための切削加工を実施するようにされる。

ところで、本発明の積層造形方法およびその積層造形装置２では、積層された焼結層５０と焼結層５０の間に巣と称される空隙が形成されてしまうことを防止するために、焼結工程を繰り返す度に形成される焼結層５０のうちの所定の下層Ｑｄから所定の上層Ｑｕまでの範囲Ｑａの中で、１または複数の焼結工程を実施する度に、さらに好ましくは焼結層５０に対して前述のような切削工程を実施する度に、既に形成した焼結層５０の上面５１のうちの少なくとも一部、好ましくは、これから形成される新しい焼結層５０に対応する分割層４９の輪郭形状で囲まれた第１照射領域の一部または全部に相当する第２照射領域４５０に対して前記第１レーザ光Ｌ１よりも小さいレーザ強度で表面を溶融させる第２レーザ光Ｌ２を照射することで、第２照射領域４５０内の焼結層５０を選択的に溶融して凹凸が平滑化された上面５１０を形成して成る表面改質工程を実施する。ここで、表面改質工程が１または複数の焼結工程を実施する度に実施される範囲Ｑａを示すことになる所定の下層Ｑｄと所定の上層Ｑｕについては、最初に形成される１層目の焼結層５０から最後に形成される最終層目の焼結層５０までの中で、下層Ｑｄが上層Ｑｕ以下にある焼結層５０となるように、下層Ｑｄと上層Ｑｕにそれぞれ任意の焼結層５０が設定されると良い。また、下層Ｑｄと上層Ｑｕが同じ焼結層５０、すなわち、１つの焼結層５０だけが範囲Ｑａとして設定されても良い。例えば、造形物４７の高さが１００ｍｍで、焼結層５０の厚さが５０μｍ、層数が２０００である場合、最初の１層目の焼結層５０でなる下層Ｑｄから最後の２０００層目でなる上層Ｑｕまでの範囲Ｑａの中で、１または複数の焼結工程を実施する度に、表面改質工程を実施するようにしても良いし、また、造形物４７の表面の少なくとも一部を成す焼結層５０から例えば数百μｍ〜数ｍｍ程度内側に、好ましくは、１ｍｍから２ｍｍ程度内側にある焼結層５０でなる下層Ｑｄから造形物４７の表面の少なくとも一部を成す上層Ｑｕまでの範囲Ｑａの中で、すなわち、実施例で言えば、例えば、造形物４７の表面のうちの少なくとも一部を成す焼結層５０が１０００層目であるとして、９６０層目から９８０層目あたりの焼結層５０でなる下層Ｑｄから造形物４７の表面の少なくとも一部を成す１０００層目の焼結層５０でなる上層Ｑｕまでの範囲Ｑａの中で、１または複数の焼結工程を実施する度に、表面改質工程を実施するようにして加工時間を短縮するようにしも良し、また、例えば１層目（第１下層Ｑｄ１）から５０層目（第１上層Ｑｕ１）までの焼結層５０を第１範囲Ｑａ１とし、１０００層目（第２下層Ｑｄ２）から１２００層目（第２上層Ｑｕ２）までの焼結層５０を第２範囲Ｑａ２とし、および１９５０層目（第３下層Ｑｄ３）から２０００層目（第３上層Ｑｕ３）までの焼結層を第３範囲Ｑａ３とする３つの範囲Ｑａ１〜Ｑａ３を設ける等のように複数の範囲Ｑａ（Ｑａ１，Ｑａ２，Ｑａ３，…）を設けて、それぞれの範囲の中で１または複数の焼結工程を実施する度に、表面改質工程を実施するようにしても良し、また、例えば５００層目（第１下層Ｑｄ１）から造形物４７の表面のうちの第１表面と成る５２０層目（第１上層Ｑｕ１）までを第１範囲Ｑａ１とし、５１０層目（第２下層Ｑｄ２）から造形物４７の表面のうちの第２表面と成る５３０層目（第２上層Ｑｕ２）までを第２範囲Ｑａ２とするような場合に、５００層目（第１下層Ｑｄ１）から５３０層目（第２上層Ｑｕ２）までを１つの範囲Ｑａとして、その範囲の中で、１または複数の焼結工程を実施する度に、表面改質工程を実施するようにしても良いし、上記以外でも本発明を逸脱しない限り、表面改質工程を１または複数の焼結工程を実施する度に実施する範囲Ｑａを様々に設定しても良い。

表面改質工程は、例えば、図７と図１１に示すように、３層目の焼結層５０ｃでなる下層Ｑｄから造形物４７の表面を成す最後の６層目でなる上層Ｑｕまでの範囲Ｑａの中で、２回の焼結工程を実施する度に実施されるものと設定されているとすると、３層目の焼結層５０ｃを粉体層８で覆う前に、３層目の焼結層５０ｃの上面５１ｃのうちの少なくともこれから形成される新しい４層目の焼結層５０ｄに対応する分割層４９ｄの輪郭形状で囲まれた第２照射領域４５０ｃ内の焼結層５０ｃに第１レーザ光Ｌ１より照射面に対するレーザ強度が小さくかつ表面を再溶融させるレーザ強度の第２レーザ光Ｌ２を照射して溶融させ、再溶融した上面５１０ｃの金属材料が空隙を埋めるようにする。つぎの表面改質工程は、２回の焼結工程が実施されたあとの粉体層８で覆う前に５層目の焼結層５０ｅに対して同様に実施されることになる。こうした表面改質工程では、下地となる焼結層５０の所定部位に第２レーザ光Ｌ２を照射することで、特に所定部位の上面５１を再溶融させることにより、表面張力等の作用によりその上面５１の凹凸が平滑化してそのあと冷却することで平滑化した状態で凝固した上面５１０を得る。そうして平滑化された焼結層５０は、その上面５１０を覆うように隙間無く均一な厚みで粉体層８を形成することが可能になるので、そのような粉体層８を第１レーザ光Ｌ１で焼結させる際に、より均一に焼結させることが可能となって、隣接する焼結層５０同士の間に巣が形成されることを低減できる。また、表面改質工程は、最後の最終層目を含め造形物４７の表面の少なくとも一部を成す焼結層５０の上面５１に対して実施されても良い。なお、所定の下層Ｑｄの焼結層５０から所定の上層Ｑｕの焼結層５０までの範囲Ｑａの中で複数の焼結工程を実施する度に表面改質工程を行う場合には、下層Ｑｄで初回の表面改質工程を実施するようにしても良いし、下層Ｑｄを含む複数の焼結工程が実施された後に初回の表面改質工程を実施するよにしても良いし、また、次回の表面改質工程までに実施される複数の焼結工程の回数を表面改質工程が行われる毎に同じ回数でも良いし別々に異なる回数を設定しても良いし、それぞれ適宜に設定されると良い。

ＣＡＭ装置では、表面改質工程のための第２レーザ光Ｌ２の走査経路なども設定される。例えば、ＣＡＭ装置では、第２レーザ光Ｌ２に合わせて第１レーザ光Ｌ１とは異なる走査経路を設定するようにしても良い。また、例えば、ＣＡＭ装置では、図７に示すように、４層目の焼結層５０ｄの下地となる３層目の焼結層５０ｃに表面改質工程を実施する場合において、本実施の態様の造形物４７であれば、造形物モデル４８の分割層４９のうちの４層目の分割層４９ｄの輪郭形状で囲まれた領域を利用して、第２レーザ光Ｌ２を照射すべき第２照射領域４５０ｃおよび第２レーザ光Ｌ２の走査経路を設定するようにしても良いし、適宜別の方法で設定されても良い。なお、分割層４９の輪郭形状は、例えば、ドーナツ状に空洞を有する形状や複数の島状に分けられている形状など、図５や図７に示すような空洞のない１つの領域からなる形状に限定されない。また、第２照射領域４５０は、焼結層５０の上面５１のうちの当該焼結層５０の直上の分割層４９の輪郭形状で囲まれた領域の一部から成る領域となるように造形物モデル４８の分割層４９を利用してまたは適宜別の方法で設定されても良いし、また、第２照射領域４５０は、造形物４７の表面のうちで所望の面粗度で表面仕上げを行いたい表面部分に対応する部分の巣の発生を防止するようにしても良いので、例えば図８に示すように焼結層５０の上面５１のうちの中心部分以外の上面５１０など、焼結層５０の上面５１のうちの少なくとも一部からなる上面５１０となるように造形物モデル４８の分割層４９を利用してまたは適宜別の方法で設定されても良い。

このように、造形物４７の積層造形工程では、図１２（ａ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１でｍ（ｍは２以上の整数）層の焼結層５０を連続して形成するためのｍ回の焼結工程と、所定の範囲Ｑａの中の焼結層５０であって、これから新しく形成する焼結層５０の下地となるすでに形成された焼結層５０に対して第２レーザ光Ｌ２で上面５１のうちの少なくとも一部の領域の凹凸を平滑化するための表面改質工程が繰り返されると良い。また、好ましくは、造形物４７の積層造形工程では、図１２（ｂ）に示すように、ｍ（ｍは２以上の整数）層の焼結層５０を連続して形成するためのｍ回の焼結工程と、すでに形成された焼結層５０に対して切削加工を行う切削工程と、そして、所定の範囲Ｑａの中の焼結層５０であって、これから新しく形成する焼結層５０の下地となるすでに形成された焼結層５０に対して第２レーザ光Ｌ２で上面５１のうちの少なくとも一部の領域の凹凸を平滑化するための表面改質工程が繰り返されると良い。以下、焼結工程と切削工程と表面改質工程を「単位工程」と総称する。また、連続するｍ回の焼結工程を焼結工程ブロックと称する。なお、図１２では、省略されているが焼結工程を繰り返すとともにその中で必要に応じて適時に表面改質工程と切削工程を実施した上で、複数の焼結層５０を積層一体化して所望の三次元造形物が生成されたら積層造形工程を終了する。また、図１２では、各焼結工程ブロック毎に行う表面改質工程や切削工程が各１回であるように示されているが、それぞれ適宜に２回以上の表面改質工程や２回以上の切削工程を行なっても良いし、表面改質工程と切削工程の間に焼結工程ブロックを行なうようにしても良いし、表面改質工程と切削工程の順序を前後入れ替えても良し、上記以外でも本発明を逸脱しない限り、各工程の回数や各工程の順序を適宜に決めれば良い。

本発明は、積層造形方法及び積層造形装置に利用できる。特に、金属材料からなる粉体層を形成し、この粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させる工程を繰り返すことによって、複数の焼結層を積層一体化して成る所望の造形物を形成する積層造形方法及び積層造形装置に利用できる。

１ チャンバ
２ 積層造形装置
３ 粉体層形成装置
５ 造形テーブル
８ 粉体層
１１ リコータヘッド
１３ レーザ光照射部
１７ ヒューム付着防止部
２６ 粉体保持壁
２７ 粉体排出部
２８ シューターガイド
３１ 駆動機構
４２ レーザ光源
４３ａ ガルバノスキャナ（Ｘ軸スキャナ）
４３ｂ ガルバノスキャナ（Ｙ軸スキャナ）
４４ 集光レンズ
４５ 第１照射領域
４５０ 第２照射領域
４７ 造形物
４８ 造形物モデル
４９ 分割層
５０ 焼結層
５１ 焼結層の上面
５１０ 第２レーザ光が照射される焼結層の所定部位の上面
Ｌ レーザ光
Ｌ１ 第１レーザ光
Ｌ２ 第２レーザ光

Claims (6)

1. 所望の三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高で水平面で分割してなる各分割層に対応する金属材料の粉体層を形成し、前記造形物モデルの各分割層の輪郭形状で囲まれた第１照射領域に第１レーザ光を照射して前記第１照射領域内の前記粉体層の材料粉体を選択的に焼結して焼結層を形成する焼結工程と、前記焼結工程を繰り返す度に形成される前記焼結層のうちの所定の下層から所定の上層までの範囲の中で、１または複数の前記焼結工程を実施する度に、前記焼結層の上面における前記第１照射領域内の少なくとも一部から成る第２照射領域に前記第１レーザ光よりも小さいレーザ強度で表面を溶融させる第２レーザ光を照射して前記第２照射領域内の前記焼結層を選択的に溶融して表面を改質する表面改質工程とを含む複数の単位工程からなる積層造形工程を実行することによって造形物を生成することを特徴とする積層造形方法。
2. 前記表面改質工程における前記第２照射領域が、前記焼結層の上面のうちの当該焼結層の直上の前記分割層の輪郭形状で囲まれた領域の一部または全部から成ることを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
3. １または複数の前記焼結工程を実施する度に前記焼結層に対して切削加工を行う切削工程を含む複数の前記単位工程からなる前記積層造形工程を実行することによって前記造形物を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の積層造形方法。
4. 前記表面改質工程における前記第２レーザ光が前記焼結層に照射される際に前記第２照射領域に対して水平方向に揺動しながら走査されるようにして照射されることを特徴とする請求項１ないし３に記載の積層造形方法。
5. 前記焼結工程における前記第１レーザ光が前記材料粉体層に照射される際に前記第１照射領域に対して水平方向に揺動しながら走査されるようにして照射されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の積層造形方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の積層造形方法によって前記造形物を生成することを特徴とする積層造形装置。

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