JP2018119208A - 造形物の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】造形後の寸法変化が少なく、且つ必要な硬度を有する造形物の製造方法を提供する。【解決手段】本発明のいくつかの態様によれば、造形テーブル上に材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成するリコート工程と、前記材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して焼結層を形成する焼結工程とを繰り返して、所望の造形物を形成する造形工程と、前記造形物を浸炭処理する浸炭処理工程と、を備え、前記材料粉体は、炭素含有量が０．１質量％以下の鉄系材料である、造形物の製造方法が提供される。【選択図】 図１

Description

本発明は、造形物の製造方法に関する。
レーザ光による粉末焼結積層造形法では、不活性ガスが充満された密閉されたチャンバ内において、上下方向に移動可能な造形テーブル上に非常に薄い材料粉体層を形成し、この材料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ことを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元形状を造形する。特に、切削装置を備える積層造形装置においては、エンドミル等の回転切削工具を用いて、造形物の造形途中に、材料粉体を焼結して得られた焼結体の表面や不要部分に対して切削加工を施してもよく、より高精度な造形物を形成することができる。かかる工程の組み合わせと繰り返しとを経て、所望の積層造形物が形成される。ここで、材料粉体が鉄系の金属粉体材料であるとき、所望の強度を付与するため一定量以上の炭素が添加される（例えば、特許文献１）。
特許第３９９７１２３号公報
しかし、炭素を一定量以上含む金属材料粉体を用いて積層造形を行った場合には、マルテンサイト変態により造形後に膨張し所望の寸法精度が得られないことがある。すなわち、レーザ光によって加熱されオーテスナイト状態となった造形直後の造形物が冷却されマルテンサイト状態へと変態することにより、その結晶構造が面心立方格子構造から体心正方晶構造へと変化し体積が増加する。この膨張量は材料粉体の炭素量が多くなる程増加する傾向があることが知られている。なお、マルテンサイト変態を終え寸法が安定するまでには環境温度により数時間から数日要する。そのため、造形中に切削装置により高精度加工したとしても、造形後に寸法が変化し所望する寸法が得られない。また、このような変化により造形物に割れが生じることがある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形後の寸法変化が少なく、且つ必要な硬度を有する造形物の製造方法を提供するものである。また、造形後の寸法変化による割れの抑制のために十分な伸びを有し、且つ必要な硬度を有する造形物の製造方法を提供するものである。
本発明のいくつかの態様によれば、造形テーブル上に材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成するリコート工程と、前記材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して焼結層を形成する焼結工程とを繰り返して、所望の造形物を形成する造形工程と、前記造形物を浸炭処理する浸炭処理工程と、を備え、前記材料粉体は、炭素含有量が０．１質量％以下の鉄系材料である、造形物の製造方法が提供される。
本発明に係る製造方法は、材料粉体として炭素の含有量の比較的少ない材料粉体を用いて積層造形を行って造形物を形成し、その後造形物に対して浸炭処理を行う。かかる工程によれば、造形物のマルテンサイト変態による寸法変化の低減及び必要硬度の確保の達成が可能である。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記浸炭処理工程後の前記造形物の表面硬度は、ロックウェル硬さＨＲＣ５０以上である。
好ましくは、前記造形工程は、前記焼結層に対して切削加工を行う切削工程を含む。
本発明の実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３の斜視図である。 本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。 本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 実施例および比較例において積層造形した試験片Ａの写真である。 実施例および比較例において積層造形した試験片Ｂの写真である。
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施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。
本発明の一実施形態の造形物の製造方法は、造形工程と浸炭処理工程を備える。以下、各工程について詳細に説明する。
（１）造形工程
造形工程では、造形テーブル５上に材料粉体を均一に撒布して材料粉体層８を形成するリコート工程と、材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して焼結層を形成する焼結工程とを繰り返して、所望の造形物を形成する。以下、この工程の実施に利用可能な積層造形装置について詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る積層造形装置は、チャンバ１とレーザ光照射部１３とを有する。
チャンバ１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には、内部に粉体層形成装置３が設けられ、上面部に保護ウインドウ汚染防止装置１７が設けられる。粉体層形成装置３は、ベース台４とリコータヘッド１１とを有する。
ベース台４は、積層造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒには、造形テーブル５が設けられる。造形テーブル５は、造形テーブル駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動することができる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。また、所定の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。
造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未焼結の材料粉体が保持される。図１においては不図示であるが、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が設けられてもよい。かかる場合、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から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイド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に収容されることになる。
リコータヘッド１１は、図２〜図４に示すように、材料収容部１１ａと材料供給部１１ｂと材料排出部１１ｃとを有する。
材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。なお、材料排出部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）に延びるスリット形状である。
ここで、材料粉体は、特に鉄を主成分とする鉄系材料であり、純鉄または鉄を主成分とし炭素含有量が少ない合金である。なお、鉄系材料は、鉄を５０質量％以上含む金属材料をいう。また、鉄系材料の合金は、アルミニウム、ホウ素、コバルト、クロム、銅、ランタン、モリブデン、ニオブ、ニッケル、鉛、セリウム、テルル、バナジウム、タングステン、ジルコニム、ケイ素、マンガン、リン、硫黄等を含んでよく、例えば低炭素鋼や低炭素の合金鋼である。また、材料粉体の形状は、例えば平均粒径２０μｍの球形である。なお、材料粉体として複数の異なる金属材料粉体を混合したものを用いてもよい。
造形後のマルテンサイト変態を抑制するという観点からは、材料粉体の炭素含有量は少ない方が望ましい。また、造形後の寸法変化による割れの抑制のために十分な伸びを有するという観点からも、材料粉体の炭素含有量は少ない方が望ましい。材料粉体の炭素含有量は、０．１質量％以下であり、好ましくは０．０５質量％以下であり、より好ましくは０．０３質量％以下である。
また、リコータヘッド１１の両側面には、ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂとリコータヘッド供給口１１ｆｓとリコータヘッド排出口１１ｒｓとが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料粉体を撒布する。換言するとブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成する。リコータヘッド供給口１１ｆｓ及びリコータヘッド排出口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）に沿ってそれぞれ設けられ、不活性ガスの供給及び排出を行う（詳細は後述）。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、ヘリウムガス等が例示される。
切削装置５０は、スピンドルヘッド６０が設けられた加工ヘッド５７を有する。加工ヘッド５７は、不図示の加工ヘッド駆動機構により制御可能に、スピンドルヘッド６０を所望の位置に水平鉛直方向に移動させる。
スピンドルヘッド６０は、不図示のエンドミル等の切削工具を取り付けて回転させることができるように構成されており、材料粉体を焼結して得られた焼結層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。また切削工具は複数種類の切削工具であることが好ましく、使用する切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。
チャンバ１の上面には、保護ウインドウ１ａを覆うように保護ウインドウ汚染防止装置１７が設けられる。保護ウインドウ汚染防止装置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を通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じて保護ウインドウ汚染防止装置１７の下方に向かって噴出される。
レーザ光照射部１３は、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ光照射部１３は、造形領域Ｒ上に形成される材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結させる。具体的には、レーザ光照射部１３は、レーザ光源４２と２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂとフォーカス制御ユニット４４とを有する。なお、各ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれガルバノミラー４３ａ、４３ｂを回転させるアクチュエータを備えている。
レーザ光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なレーザであって、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。
フォーカス制御ユニット４４は、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光し所望のスポット径に調整する。２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。特にガルバノミラー４３ａは、レーザ光ＬをＸ軸方向に走査し、ガルバノミラー４３ｂは、レーザ光ＬをＹ軸方向に走査する。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される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。かかる特徴により、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂの各アクチュエータ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を照射することができる。
ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを通過したレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられた保護ウインドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８に照射される。保護ウインドウ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、保護ウインドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。
次に、不活性ガス給排系統について説明する。不活性ガス給排系統は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口及び排出口と、各供給口及び各排出口と不活性ガス供給装置１５及びヒュームコレクタ１９とを接続する配管を含む。本実施形態では、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、副供給口１ｅ、及び保護ウインドウ汚染防止装置供給口１７ｇを含む供給口と、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、副排出口１ｆを含む排出口とを備える。
リコータヘッド供給口１１ｆｓは、チャンバ排出口１ｃの設置位置に対応してチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。好ましくは、リコータヘッド供給口１１ｆｓは、リコータヘッド１１が不図示の材料供給装置の設置位置に対して所定の照射領域を挟んで反対側に位置しているときにチャンバ排出口１ｃと対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド１１の片面に設けられる。
チャンバ排出口１ｃは、チャンバ１の側板にリコータヘッド供給口１１ｆｓに対面するように所定の照射領域から所定距離離れて設けられる。また、チャンバ排出口１ｃに接続するように不図示の吸引装置が設けられるとよい。当該吸引装置は、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを効率よく排除することを助ける。また、吸引装置によってチャンバ排出口１ｃにおいて、より多くの量のヒュームを排出することができ、造形空間１ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。
チャンバ供給口１ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いてチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド１１が所定の照射領域を通過してリコータヘッド供給口１１ｆｓが所定の照射領域を間に置かずにチャンバ排出口１ｃに直面する位置にあるとき、リコータヘッド供給口１１ｆｓからチャンバ供給口１ｂに選択的に切り換えられて開放される。そのため、チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド供給口１１ｆｓから供給される不活性ガスと同じ所定の圧力と流量の不活性ガスをチャンバ排出口１ｃに向けて供給するので、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行える点で有利である。
リコータヘッド排出口１１ｒｓは、リコータヘッド１１のリコータヘッド供給口１１ｆｓが設けられている片面に対して反対側の側面に、矢印Ｃ方向に沿って設けられる。リコータヘッド供給口１１ｆｓから不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、チャンバ供給口１ｂから不活性ガスを供給するときに、所定の照射領域のより近くで不活性ガスの流れを作り出していくらかのヒュームを排出するので、ヒュームをより効率よくレーザ光Ｌの照射経路から排除することができる。
また、本実施形態の不活性ガス給排系統は、チャンバ排出口１ｃに対面するようにチャンバ１の側板に設けられヒュームコレクタ１９から送給されるヒュームが除去された清浄な不活性ガスを造形空間１ｄに供給する副供給口１ｅと、チャンバ１の上面に設けられ保護ウインドウ汚染防止装置１７へ不活性ガスを供給する保護ウインドウ汚染防止装置供給口１７ｇと、チャンバ排出口１ｃの上側に設けられチャンバ１の上側に残留するヒュームを多く含む不活性ガスを排出する副排出口１ｆとを備える。
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、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。本実施形態では、図１に示すように、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、及び保護ウインドウ汚染防止装置供給口１７ｇと接続される。
ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス２１、２３を有する。チャンバ１からチャンバ排出口１ｃ及び副排出口１ｆを通じて排出された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清浄な不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１の副供給口１ｅ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。
ヒューム排出系統として、図１に示すように、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、及び副排出口１ｆとヒュームコレクタ１９とがダクトボックス２１を通じてそれぞれ接続される。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清浄な不活性ガスは、チャンバ１へと返送され再利用される。
（積層造形方法）
続いて、図１及び図５〜図７を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。なお、図５〜図７では、視認性を考慮し図１では示していた構成要素を一部省略している。
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（図５）。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５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、造形プレート７上に１層目の材料粉体層８を形成する。
次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することで材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図６に示すように、積層造形物全体に対して所定厚を有する分割層である１層目の焼結層８１ｆを得る。
次に、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の所定厚（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８１ｆ上に２層目の材料粉体層８を形成する。
次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図７に示すように、２層目の焼結層８２ｆを得る。
以上の工程を繰り返すことによって、３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、本実施形態のように切削装置５０を備える積層造形装置においては、所定数の焼結層を形成する度に、焼結層の端面に対して、スピンドルヘッド６０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を実施してもよい。また、焼結時に発生したスパッタが焼結層の表面に付着し突起状の異常焼結部が生成されることがあるが、リコート工程時にリコータヘッド１１が異常焼結部に衝突したときは、異常焼結部を除去するために焼結層の上面に対して切削加工を行ってもよい。炭素含有量の少ない材料粉体を用いて積層造形を行った場合はマルテンサイト変態が起こりにくい、すなわちレーザ光Ｌの熱で焼入れが入りにくいため、焼結層の硬度は比較的低い。そのため、炭素含有量の少ない材料粉体で造形した焼結層に対して切削を行う場合、回転切削工具に負荷がかかりにくく、寿命を長くできる。
以上に示したように、造形テーブル５上に材料粉体を均一に撒布して材料粉体層８を形成するリコート工程と、材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して焼結層を形成する焼結工程とを繰り返して、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元形状を有する造形物を得ることができる。
（２）浸炭処理工程
浸炭処理工程では、材料粉体を用いて積層造形した造形物に対し、浸炭処理を行う。かかる処理により、浸炭処理前の造形物と比較し、造形物の表面及び表面近くの硬度を向上させることが可能である。
上記造形工程においては、造形物のマルテンサイト変態における変形を低減・抑制するために、用いる材料粉体の炭素含有量は少なくする必要があり、造形物において所望の硬度を与えると予想される含有量よりも少なく設定することになるため、造形工程のみによって得られる造形物の硬度は十分ではない。しかし、浸炭処理を行うことにより造形物の表面及び表面近くの炭素含有量を増加させることが可能であり、すなわち所望の硬度を有する造形物を製造することが可能である。なお、浸炭処理工程後の造形物の表面硬度は、ロックウェル硬さＨＲＣ５０以上であることが望ましい。
ここで、浸炭処理とは造形物の表面及び表面近くの炭素含有量を増加させることが可能であればその処理方法については特に限定されないが、例えば、固体浸炭、ガス浸炭、液体浸炭、真空浸炭（真空ガス浸炭）、プラズマ浸炭（イオン浸炭）等の方法により処理され得る。
本発明の実施形態やその変形例を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下、詳細な内容について実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
平均粒径２０μｍの材料粉体を用い、炭素含有量を変えて実施例及び比較例の造形、浸炭処理、及び評価を行った。
＜実施例１＞
炭素含有量０．０２５質量％の材料粉体を用い、積層造形により、造形プレート上に、縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍの立方体状の造形物を所定間隔毎に６個形成し、図８に示すような試験片Ａを得た。なお、造形テーブルの温度は１２０℃に設定した。なお、試験片Ａの寸法測定の測定対象となる側面上部１０ｍｍに関しては上述の切削加工を行っている。また、以下に記載する試験片Ａに係る試験データは、６個の試験片Ａのデータの平均である。
また、同材料を用いた積層造形により、ダンベル形状の造形物を造形プレート上に形成し、造形後ワイヤ放電加工機により造形プレートと造形物を切り離し、図９に示すような試験片Ｂを得た。試験片Ｂは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４１）に規定される１４Ｂ号試験片である。なお、造形テーブルの温度は１２０℃に設定した。
造形から２４時間経過後の試験片Ａおよび試験片Ｂに対し浸炭処理を行い、浸炭物を得た。浸炭処理は、ガス浸炭により下記条件に従い行った。なお、試験片Ａの浸炭処理前および浸炭後の炭素含有量は、試験片Ａが室温（約２４℃）まで冷却された状態で、ＥＭＰＡ（電子線マイクロアナライザ）（日本電子製ＪＸＡ−８１００）により測定した。
・浸炭条件
浸炭方法：ガス浸炭
雰囲気ガス：メタンガス
浸炭温度：８６０℃
処理時間：２時間
（寸法変化）
試験片Ａの寸法変化は、浸炭処理前の試験片Ａについて造形直後約１２０℃での寸法と造形後室温（約２４℃）まで冷却してから２４時間経過後の寸法を比較することで評価した。測定は、積層造形装置上でタッチセンサ（大昭和精機製ＫＳＨ−Ｅ２５ＰＭＰ−１００）により行った。実施例１においては、約−１７μｍ変化しており、約０．０８５％の寸法変化であり、熱膨張係数に換算すると９．１×１０−６であり正常な温度変化での値であった。
（硬さ）
浸炭処理前及び浸炭処理後の試験片Ａのロックウェル硬さについて測定した。測定は、試験片Ａが室温（約２４℃）まで冷却された状態で行う。測定は、マイクロビッカース硬さ試験機（ミツトヨ製ＨＭ−２２０Ｄ）により行った。結果を表１に示す。
（伸び）
浸炭処理前及び浸炭処理後の試験片Ｂの伸びについて測定した。測定は、試験片Ｂが室温（約２４℃）まで冷却された状態で行う。測定は、精密万能試験機（島津製作所製ＡＧ−２５０ｋＮＸｐｌｕｓ）により行った。結果を表１に示す。
＜実施例２＞
浸炭処理を、下記条件に従い真空浸炭により行ったこと以外は実施例１と同様に実施した。寸法変化については実施例１と同じであった。炭素含有量及び各評価結果については表１に示す。
・浸炭条件
浸炭方法：真空浸炭
浸炭温度：１０３０℃
処理時間：１時間
＜比較例１＞
試験片Ａおよび試験片Ｂの積層造形については、炭素含有量０．４４質量％の炭素材料を用いたこと、及び浸炭処理を行わなかったこと以外は同様に実施例１と同様に実施した。
なお、比較例１においては、寸法が約１３５μｍ変化しており、約０．６７％の寸法変化であった。
上記のように、炭素含有量が０．４４質量％の材料を用いた比較例では、造形物の硬さは十分高いものの、寸法変化が大きく精密な造形には不適であった。また、伸びが測定不可能なほど小さいことから寸法変化により割れが生じる可能性が高くなっていた。
一方、実施例１及び２では、炭素含有量が０．０２５質量％の材料を用いたため、寸法変化が小さかった。さらに、伸びを十分に有するため寸法変化により割れが生じる可能性が低くなっていた。そして、浸炭処理前は硬さが低いものの、浸炭処理により十分な硬さを確保することができていた。
１ ：チャンバ
１ａ ：保護ウインドウ
１ｂ ：チャンバ供給口
１ｃ ：チャンバ排出口
１ｄ ：造形空間
１ｅ ：副供給口
１ｆ ：副排出口
２ ：クレーム
３ ：粉体層形成装置
４ ：ベース台
５ ：造形テーブル
７ ：造形プレート
８ ：材料粉体層
１１ ：リコータヘッド
１１ａ ：材料収容部
１１ｂ ：材料供給部
１１ｃ ：材料排出部
１１ｆｂ ：ブレード
１１ｆｓ ：リコータヘッド供給口
１１ｒｂ ：ブレード
１１ｒｓ ：リコータヘッド排出口
１３ ：レーザ光照射部
１５ ：不活性ガス供給装置
１７ ：保護ウインドウ汚染防止装置
１７ａ ：筐体
１７ｂ ：開口部
１７ｃ ：拡散部材
１７ｄ ：不活性ガス供給空間
１７ｅ ：細孔
１７ｆ ：清浄室
１７ｇ ：保護ウインドウ汚染防止装置供給口
１９ ：ヒュームコレクタ
２１ ：ダクトボックス
２３ ：ダクトボックス
２６ ：粉体保持壁
３１ ：造形テーブル駆動機構
４１ ：撮像部
４２ ：レーザ光源
４３ａ ：ガルバノミラー
４３ｂ ：ガルバノミラー
４４ ：フォーカス制御ユニット
５０ ：切削装置
５７ ：加工ヘッド
６０ ：スピンドルヘッド
８１ｆ ：焼結層
８２ｆ ：焼結層
Ａ ：矢印
Ｂ ：矢印
Ｃ ：矢印
Ｌ ：レーザ光
Ｒ ：造形領域
しかし、炭素を一定量以上含む金属材料粉体を用いて積層造形を行った場合には、マルテンサイト変態により造形後に膨張し所望の寸法精度が得られないことがある。すなわち、レーザ光によって加熱されオーステナイト状態となった造形直後の造形物が冷却されマルテンサイト状態へと変態することにより、その結晶構造が面心立方格子構造から体心正方晶構造へと変化し体積が増加する。この膨張量は材料粉体の炭素量が多くなる程増加する傾向があることが知られている。なお、マルテンサイト変態を終え寸法が安定するまでには環境温度により数時間から数日要する。そのため、造形中に切削装置により高精度加工したとしても、造形後に寸法が変化し所望する寸法が得られない。また、このような変化により造形物に割れが生じることがある。
＜実施例１＞
炭素含有量０．０２５質量％の材料粉体を用い、積層造形により、造形プレート上に、縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍの立方体状の造形物を所定間隔毎に６個形成し、図８に示すような試験片Ａを得た。なお、造形テーブルの温度は１２０℃に設定した。なお、試験片Ａの寸法測定の測定対象となる側面上部１０ｍｍに関しては上述の切削加工を行っている。また、以下に記載する試験片Ａに係る試験データは、６個の試験片Ａのデータの平均である。
また、同材料を用いた積層造形により、ダンベル形状の造形物を造形プレート上に形成し、造形後ワイヤ放電加工機により造形プレートと造形物を切り離し、図９に示すような試験片Ｂを得た。試験片Ｂは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４１）に規定される１４Ｂ号試験片である。なお、造形テーブルの温度は１２０℃に設定した。
造形から２４時間経過後の試験片Ａおよび試験片Ｂに対し浸炭処理を行い、浸炭物を得た。浸炭処理は、ガス浸炭により下記条件に従い行った。なお、試験片Ａの浸炭処理前および浸炭後の炭素含有量は、試験片Ａが室温（約２４℃）まで冷却された状態で、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）（日本電子製ＪＸＡ−８１００）により測定した。
・浸炭条件
浸炭方法：ガス浸炭
雰囲気ガス：メタンガス
浸炭温度：８６０℃
処理時間：２時間
１ ：チャンバ
１ａ ：保護ウインドウ
１ｂ ：チャンバ供給口
１ｃ ：チャンバ排出口
１ｄ ：造形空間
１ｅ ：副供給口
１ｆ ：副排出口
３ ：粉体層形成装置
４ ：ベース台
５ ：造形テーブル
７ ：造形プレート
８ ：材料粉体層
１１ ：リコータヘッド
１１ａ ：材料収容部
１１ｂ ：材料供給部
１１ｃ ：材料排出部
１１ｆｂ ：ブレード
１１ｆｓ ：リコータヘッド供給口
１１ｒｂ ：ブレード
１１ｒｓ ：リコータヘッド排出口
１３ ：レーザ光照射部
１５ ：不活性ガス供給装置
１７ ：保護ウインドウ汚染防止装置
１７ａ ：筐体
１７ｂ ：開口部
１７ｃ ：拡散部材
１７ｄ ：不活性ガス供給空間
１７ｅ ：細孔
１７ｆ ：清浄室
１７ｇ ：保護ウインドウ汚染防止装置供給口
１９ ：ヒュームコレクタ
２１ ：ダクトボックス
２３ ：ダクトボックス
２６ ：粉体保持壁
３１ ：造形テーブル駆動機構
４２ ：レーザ光源
４３ａ ：ガルバノミラー
４３ｂ ：ガルバノミラー
４４ ：フォーカス制御ユニット
５０ ：切削装置
５７ ：加工ヘッド
６０ ：スピンドルヘッド
８１ｆ ：焼結層
８２ｆ ：焼結層
Ａ ：矢印
Ｂ ：矢印
Ｃ ：矢印
Ｌ ：レーザ光
Ｒ ：造形領域

Claims (3)

  1. 造形テーブル上に材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成するリコート工程と、前記材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して焼結層を形成する焼結工程とを繰り返して、所望の造形物を形成する造形工程と、
    前記造形物を浸炭処理する浸炭処理工程と、を備え、
    前記材料粉体は、炭素含有量が０．１質量％以下の鉄系材料である、造形物の製造方法。
  2. 前記浸炭処理工程後の前記造形物の表面硬度は、ロックウェル硬さＨＲＣ５０以上である、請求項１に記載の造形物の製造方法。
  3. 前記造形工程は、前記焼結層に対して切削加工を行う切削工程を含む、請求項１または請求項２に記載の造形物の製造方法。
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