JP2018184641A - 積層造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】相対密度が高く高強度である積層造形物の製造が可能な積層造形物の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】積層造形物の製造方法は、金属粉末１５を構成する複数の母材粒子１５ａ及び複数の母材粒子１５ａと同種の金属で形成され複数の母材粒子の平均体積Ｖ１よりも小さな平均体積Ｖ２で形成される複数の微粒子１５ｂを造形光ビームＬ１の照射範囲Ａｒ１に供給する第一工程Ｓ１０と、複数の母材粒子１５ａの各表面のうち造形光ビームＬ１が照射される側の各表面である各被照射面及び複数の微粒子１５ｂに造形光ビームを照射する第二工程Ｓ２０と、を備える。第一工程において照射範囲に供給された複数の微粒子は、複数の母材粒子の各被照射面と接触するよう配置される。【選択図】図６

Description

本発明は、積層造形物の製造方法及び製造装置に関する。

近年、粉末状の金属をレーザ光の照射によって焼結又溶融して固化させ、一層ずつ層状に積層して立体的な造形物を製造する金属ＡＭ（Additive Manufactuaring）の開発が盛んになってきている。金属ＡＭで使用される金属には、マルエージング鋼，ステンレス鋼（ＳＵＳ），チタン鋼（Ｔｉ），銅（Ｃｕ）及びアルミ（Ａｌ）等がある。

しかしながら、市場では、完成した積層造形物の強度向上のため、各金属に対してさらにレーザ光の吸収率を向上させ、これによって、金属粉末を速やかに溶融させ固化させて安定して積層造形物の相対密度を向上させたいとの要望がある。これに対し、例えば、特許文献１の技術では、特に近赤外波長のレーザ光の吸収率が低いとされるアルミ粉末に、近赤外波長のレーザ光の吸収率が高いレーザ吸収剤を含ませることによって、吸収率を向上させる技術が開示されている。これにより、近赤外波長のレーザ光が照射されると、まず、レーザ吸収剤に近赤外波長のレーザ光が吸収されて加熱され、その熱がアルミ粉末に伝導してアルミ粉末を加熱するとともに保温する。そして、このような環境において、さらにアルミ粉末を近赤外波長のレーザ光の照射とレーザ吸収剤からの熱によって加熱し溶融させると記載されている。

特開２０１１−２１２１８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、アルミ粉末と混在するレーザ吸収剤が不純物となり、製品の強度等によくない影響を及ぼす虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、相対密度が高く高強度である積層造形物の製造が可能な積層造形物の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

（１．積層造形物の製造方法）
請求項１に係る積層造形物の製造方法は、造形光ビームの照射によって金属粉末を溶融させたのち固化させ積層造形する積層造形物の製造方法である。製造方法は、前記金属粉末を構成する複数の母材粒子及び前記複数の母材粒子と同種の金属で形成され前記複数の母材粒子の平均体積よりも小さな平均体積で形成される複数の微粒子を前記造形光ビームの照射範囲に供給する第一工程と、前記第一工程において前記照射範囲に供給された前記複数の母材粒子の各表面のうち前記造形光ビームが照射される側の各表面である各被照射面及び前記複数の微粒子に前記造形光ビームを照射する第二工程と、を備える。そして、前記第一工程において前記照射範囲に供給された前記複数の微粒子は、前記複数の母材粒子の前記各被照射面と接触するよう配置される。

このように、積層造形物の製造方法では、第一工程において、複数の母材粒子よりも平均体積が小さな複数の微粒子が母材粒子の被照射面に接触して配置されるよう照射範囲に供給される。そして、第二工程において、造形光ビームが微粒子に照射されると、平均体積が小さいため熱容量も小さな各微粒子の温度は、平均体積の大きな母材粒子に造形光ビームを照射した場合における母材粒子の温度上昇速度と比較して速やかに上昇し、微粒子は迅速に溶融して液相状態となる。

これにより、溶融した微粒子は、固相状態のときよりも造形光ビームの吸収率が向上しさらに良好な速度で温度が上昇する。このとき、溶融し温度上昇した微粒子は、被照射面で接触する母材粒子を保温、及び加熱し、母材粒子に対する造形光ビームの吸収率を向上させる。このため、母材粒子に対し、直接、又は溶融した微粒子を通して造形光ビームが照射されると、造形光ビームは母材粒子に良好に吸収され、母材粒子を短時間で溶融させることができる。これにより、相対密度が高密度で高強度な積層造形物が安定して製造できる。

（２．積層造形物の製造装置）
また、請求項７に係る積層造形物の製造装置は、造形光ビームの照射によって金属粉末を溶融させたのち固化させ積層造形する積層造形物の製造装置である。製造装置は、外気と内気との遮断が可能なチャンバと、前記金属粉末を構成する複数の母材粒子及び前記複数の母材粒子と同種の金属で形成され前記複数の母材粒子の平均体積よりも小さな平均体積で形成される複数の微粒子を格納する格納部と、前記チャンバの内部に設けられ、前記格納部内に格納される前記複数の母材粒子及び前記複数の微粒子を前記造形光ビームの照射範囲に供給する金属粉末供給装置と、前記照射範囲に供給された前記複数の母材粒子の各表面のうち前記造形光ビームが照射される側の各表面である各被照射面及び前記複数の微粒子に前記造形光ビームを照射する造形光ビーム照射装置と、を備える。そして前記照射範囲において、前記複数の微粒子は、前記複数の母材粒子の前記各被照射面と接触するよう配置される。これにより、請求項１の製造方法と同様、相対密度が高密度で高強度な積層造形物が安定して製造できる。

金属材料別の近赤外レーザ光の波長と吸収率との関係を示すグラフである。 微粒子の粒径と母材粒子が溶融するまでの時間の関係を示すグラフである。 第一実施形態に係る製造装置の概要図である。 図３における金属粉末供給装置の上面図である。 薄膜層を説明する図である。 第一実施形態に係る製造方法のフローチャートである。 薄膜層のうち母材粒子層を説明する図である。 近赤外レーザ光が薄膜層の微粒子に照射される状態の説明図である。 近赤外レーザ光が、母材粒子層の被照射面に照射される状態の説明図である。

＜１．第一実施形態＞
（１−１．概要）
まず、本発明の第一実施形態に係る積層造形物の製造装置の概要について説明する。積層造形物の製造装置は、造形光ビームの照射によって、照射範囲に供給された金属粉末を溶融させたのち固化させて積層造形物を積層造形する製造装置である。

なお、本実施形態では、造形光ビームとして、安価な近赤外波長のレーザ光を採用する。以降、近赤外波長のレーザ光を近赤外レーザ光Ｌ１と称す。ただし、この態様には限らない。近赤外レーザ光Ｌ１は、あくまで一例であり、造形光ビームとしては、近赤外波長のレーザ光（近赤外レーザ光Ｌ１）に限らず、ＣＯ２レーザ（遠赤外レーザ光）や半導体レーザを採用してもよい。

また、積層造形物の原材料となる金属粉末としては、採用可能な様々な金属材料のうち、一例として、市場において需要の要求が高い銅粉末を採用するものとする。なお、銅は、常温時における近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が、所定の値以下の「低吸収率材料」である。このとき所定の値以下とは、例えば、３０％以下のことをいうものとし、図１に示す様に、銅に対する近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率は約１０％（つまり、３０％以下）である。また、図１に示すように、「低吸収率材料」としては、銅のほかに例えば、アルミも含まれる。

このように、本実施形態では、近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が非常に低い銅粉末を金属粉末として適用する。しかしながら、金属粉末の各粒子の平均粒径φＤが十分大きく（例えば、３０μm以上）且つ、各粒子が単一径で形成された集合体である場合、従来の知見より、近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が低い金属粉末が迅速に昇温し溶融に至ることは望めない。

そこで、発明者は、金属粉末がたとえ銅（粉末）であっても、複数の銅粒子の平均粒径が所定の値より小さい場合には、銅粒子が溶融に至るまでの時間が短くなるという公知の知見に着目した。これは、銅粒子の平均粒径が小さいほど、熱容量が小さくなるため、たとえ、近赤外レーザ光Ｌ１の吸収量が少なくても十分昇温できると考えられる。これにより、たとえ、近赤外レーザ光Ｌ１の吸収量が少ない銅粒子であっても、平均粒径φＤが所定の値より小さいものに関しては融点近傍まで比較的短時間で到達できる。

また、銅粒子は、常温で且つ固相状態においては、近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が低いが、昇温し液相状態に移行することで吸収率が急激に上昇する特性を備えるという公知の知見もある。従って、液相状態へ移行した銅粒子は、近赤外レーザ光Ｌ１を良好に吸収して速やかに昇温する。このため、昇温した銅粒子が、接触する他の銅粒子を加熱、及び保温し、他の銅粒子が液相状態に短時間で到達することを支援できる。これにより、銅粒子の集合体である銅粉末を連鎖的に短時間で溶融させることができ、安定して高密度且つ高強度を確保できる。

しかしながら、平均粒径φＤが所定の値より小さく微小な銅粒子を製造するコストは高く、量産等において微小な銅粒子を積層造形の原材料として大量に製造し使用することは容易ではない。そこで、発明者は、コストが高い粒径の小さな銅粒子（実施形態では微粒子に相当する）を、低コストで製造可能な従来の粒径(例えば、平均粒径３０μｍ程度)で形成される銅粒子（本実施形態では母材粒子に相当する）に接触させることで、微粒子を加熱材、又は保温材として使用し、従来の粒径の銅粒子（母材粒子）が溶融に至るまでの時間を短縮させることにした。つまり、コストの上昇を抑制するため高価な微粒子を少量だけ使用して安価な従来の銅粒子（母材粒子）を加熱、保温し、銅粒子（母材粒子）が溶融に至るまでの時間を短縮させることにした。

このように、本実施形態において、上記金属粉末に相当する金属粉末１５（後に詳述する）は、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂを備える。つまり、金属粉末１５は、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂの集合体である。そして、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂは、それぞれ、同じ種類の銅から形成される。

また、本実施形態においては、母材粒子１５ａ及び微粒子１５ｂはそれぞれ球状に形成されている。各粒子を球状に形成するには、例えば公知のガスアトマイズ法等によって製作する。ガスアトマイズ法は公知の方法であるので、詳細な説明については省略する。

このとき、球状に形成された微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２は、球状に形成された母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１に対し、一例として１／６（＝φＤ２／φＤ１）となるよう、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂが形成される。上記において、平均粒径の測定は公知のレーザ回折・散乱法によるものとする。

なお、上記においては、母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１及び微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２の比率（φＤ２／φＤ１）は、１／６であるとした。これは、図２のグラフが示すＣＡＥによる解析結果に基づき設定されたものである。図２のグラフは、上記で説明した粒径の大きな銅粒子（母材粒子）と粒径が小さな銅粒子（微粒子）とが接触した状態において、近赤外波長のレーザ光Ｌ１を微粒子に照射したときにおける粒径が大きな銅粒子（母材粒子）が溶融するまでの時間の解析結果である。グラフの横軸は微粒子の母材粒子に対する粒径の比率であり、縦軸は微粒子と接触する母材粒子が溶融するまでの時間である。

この解析結果によれば、母材粒子の粒径に対し微粒子の粒径が２／５（４０％）以下であるときに、従来（図２において、左端）よりも、溶融に至るまでの時間が短縮されることがわかった。そして、図２の条件の中では、（φＤ２／φＤ１）が１／６であるときに、溶融に至るまでの時間が最も短縮されることがわかった。

これにより、母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１及び微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２の比率（φＤ２／φＤ１）を、１／６に設定した。ただし、母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１に対する微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２（＝φＤ２／φＤ１）は、２／５（４０％）以下であれば１／６でなくてもよい。これによっても、相応の効果は得られる。以上の前提を踏まえ、以降の実施形態の説明を行なう。

（１−２．製造装置）
図３は、本発明に係る第一実施形態の製造装置１００の概要図である。製造装置１００は、チャンバ１０と、金属粉末供給装置２０と、造形光ビーム照射装置３０と、格納部４０と、を備える。後に詳述するが格納部４０は、複数の母材粒子１５ａを格納する母材粒子格納部４１と複数の微粒子１５ｂを格納する微粒子格納部４２とを備える。

チャンバ１０は、概ね直方体形状で形成された筐体であり、外気と内気との遮断が可能な容器である。チャンバ１０は、内部の空気を、例えばＨｅ（ヘリウム），Ｎ_２（窒素）やＡｒ（アルゴン）などの不活性ガスに置換可能な装置を備える（図略）。なお、チャンバ１０は、内部を不活性ガスに置換するのではなく、減圧可能な構成としてもよい。

金属粉末供給装置２０は、チャンバ１０の内部に設けられる。金属粉末供給装置２０は、前述した複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂを近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビームに相当）の照射範囲Ａｒ１（図４参照）に供給する装置である。前述したように、本実施形態においては、照射範囲Ａｒ１に供給された複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂによって金属粉末１５が構成される。

図３，図４に示すように、金属粉末供給装置２０は、造形用容器２１と、母材粒子収納容器２２ａと、微粒子収納容器２２ｂと、造形物昇降テーブル２３と、母材粒子フィードテーブル２４と、微粒子フィードテーブル２７と、金属粉末供給制御部２５（制御部）と、リコータ２６と、造形制御部２８とを備える。

図３に示すように、造形用容器２１内には、造形物昇降テーブル２３が上下に移動可能に設けられる。造形物昇降テーブル２３上では、金属粉末供給装置２０によって、金属粉末１５の薄膜層１５ｃが形成される。図５に示すように、薄膜層１５ｃは、薄膜層１５ｃの下側に配置される複数の母材粒子１５ａからなる母材粒子層１５ｃ１と、母材粒子層１５ｃ１の上側に配置される複数の微粒子１５ｂからなる微粒子層１５ｃ２と、を例えば一層ずつ備える。詳細については、後述する。また、造形物昇降テーブル２３には、支持軸２３ａが取り付けられる。支持軸２３ａは、駆動装置（図略）に接続され、駆動装置の作動によって上下に移動される。駆動装置は、造形制御部２８によって制御される。

母材粒子収納容器２２ａ内には、母材粒子フィードテーブル２４が上下に移動可能に設けられる。母材粒子フィードテーブル２４上には、照射範囲Ａｒ１に供給される以前の複数の母材粒子１５ａ（集合体）が格納（収納）される。そして、母材粒子フィードテーブル２４を上方に移動させることにより、照射範囲Ａｒ１に供給するべき複数の母材粒子１５ａを母材粒子収納容器２２ａの上方の開口から突出させる。

このように、母材粒子収納容器２２ａ及び母材粒子フィードテーブル２４によって、複数の母材粒子１５ａを格納する母材粒子格納部４１（格納部４０）が形成される。母材粒子フィードテーブル２４には、支持軸２４ａが取り付けられる。支持軸２４ａは、駆動装置（図略）に接続される。駆動装置の作動によって母材粒子フィードテーブル２４が上下に移動される。駆動装置は、金属粉末供給制御部２５によって制御される。

また、微粒子収納容器２２ｂ内には、微粒子フィードテーブル２７が上下に移動可能に設けられる。微粒子フィードテーブル２７上には、照射範囲Ａｒ１に供給される以前の複数の微粒子１５ｂ（集合体）が格納（収納）される。そして、微粒子フィードテーブル２７を上方に移動させることにより、照射範囲Ａｒ１に供給するべき複数の微粒子１５ｂを微粒子収納容器２２ｂの上方の開口から突出させる。

このように、微粒子収納容器２２ｂ及び微粒子フィードテーブル２７によって、複数の微粒子１５ｂを格納する微粒子格納部４２が形成される。微粒子フィードテーブル２７には、支持軸２７ｂが取り付けられる。支持軸２７ｂは、駆動装置（図略）に接続され、駆動装置の作動によって微粒子フィードテーブル２７が上下に移動される。駆動装置は、金属粉末供給制御部２５によって制御される。

図３に示すリコータ２６は、母材粒子収納容器２２ａ，造形用容器２１及び微粒子収納容器２２ｂの各開口の左右方向における全領域にわたって往復移動可能に設けられる。このとき、母材粒子収納容器２２ａ，造形用容器２１及び微粒子収納容器２２ｂの各上端面は同一高さである。このように、リコータ２６は、図３に示す母材粒子収納容器２２ａの右側と微粒子収納容器２２ｂの左側との間を往復移動する。リコータ２６は、駆動装置（図略）に接続され、駆動装置の作動によって左右に移動される。駆動装置は、金属粉末供給制御部２５によって制御される。

造形光ビーム照射装置３０は、金属粉末供給装置２０によって、照射範囲Ａｒ１（図４参照）に供給された金属粉末１５（複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂ）の薄膜層１５ｃ（母材粒子層１５ｃ１及び微粒子層１５ｃ２）の表面に予め設定されたプログラムに基づき近赤外レーザ光Ｌ１を照射する。

図３に示すように、造形光ビーム照射装置３０は、レーザ発振器３１、レーザヘッド３２、及び各装置の作動を制御する造形制御部２８を備える。また、レーザ発振器３１は、レーザ発振器３１から発振された近赤外レーザ光Ｌ１をレーザヘッド３２に伝送する光ファイバ３５を備える。

レーザ発振器３１は、波長が予め設定された所定の近赤外波長となるよう発振させて連続波ＣＷのレーザ光である近赤外レーザ光Ｌ１を生成する。近赤外レーザ光Ｌ１の波長の大きさは、１．０μｍ前後である。具体的には、近赤外レーザ光Ｌ１として、ＨｏＹＡＧ（波長：約１．５μｍ）、ＹＶＯ（イットリウム・バナデイト、波長：約１．０６μｍ）、Ｙｂ（イッテルビウム、波長：約１．０９μｍ）およびファイバーレーザなどが採用可能である。

これにより、レーザ発振器３１を安価に製作できるとともに、運用時においても消費エネルギーは小さく安価である。なお、材料別のレーザ光の波長（μｍ）とレーザ光の吸収率（％）との関係を表す図１に示すように、近赤外レーザ光Ｌ１は、銅やアルミに対する吸収率が比較的低く、吸収率は３０％以下である。

図３に示すように、レーザヘッド３２は、チャンバ１０内において照射範囲Ａｒ１に形成された金属粉末１５の薄膜層１５ｃの表面から所定の距離を隔て軸線Ｃ１が垂直方向となるよう配置される。ただし、この態様に限らず、レーザヘッド３２は、軸線Ｃ１が垂直方向に対して所定の角度を有して配置されてもよい。

レーザヘッド３２は、３Ｄ又は２Ｄガルバノスキャナ（図略）を備えており、造形制御部２８によって制御されるガルバノスキャナの作用によりレーザ発振器３１で生成された近赤外レーザ光Ｌ１を、薄膜層１５ｃの表面の所定の位置に自在に照射可能である。なお、３Ｄ又は２Ｄガルバノスキャナは公知技術であるので、詳細な説明は省略する。

また、近赤外レーザ光Ｌ１を照射する所定の位置については、後に詳述する。そして、レーザヘッド３２から照射された近赤外レーザ光Ｌ１は、チャンバ１０の上面に設けられる透明なガラス又は樹脂を通してチャンバ１０内に照射され、薄膜層１５ｃの表面の所定の位置に到達する。

（１−３．製造方法）
次に、積層造形物の製造方法について，図６のフローチャートに基づき説明する。なお、製造方法においては、チャンバ１０内の空気を、図略のガス置換装置によって、例えばＡｒガスに置換するが、この処理についての説明は省略する。

また、母材粒子格納部４１を構成する母材粒子収納容器２２ａ内には、上述した複数の母材粒子１５ａ（集合体）が、母材粒子収納容器２２ａの上方の開口端まで充填されるよう投入されている。また、微粒子格納部４２を構成する微粒子収納容器２２ｂ内には、上述した複数の微粒子１５ｂ（集合体）が微粒子収納容器２２ｂの上方の開口端まで充填されるよう投入されている。

積層造形物の製造方法は、第一工程Ｓ１０と、第二工程Ｓ２０と、を備える。第一工程Ｓ１０は、造形物昇降テーブル２３上の照射範囲Ａｒ１に複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂを供給する工程である。そして、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂによって前述した金属粉末１５の薄膜層１５ｃ（母材粒子層１５ｃ１及び微粒子層１５ｃ２）を形成する。詳細については後述する。

このとき、図示はしないが、実際には、照射範囲Ａｒ１を形成する造形物昇降テーブル２３の最上面は、造形用容器２１の開口端（上端面）よりも所定量だけ下方に下がっており、造形用容器２１の内側面と造形物昇降テーブル２３の最上面との間で凹部を形成する。ここでいう所定量は、金属粉末１５の薄膜層１５ｃを構成する母材粒子層１５ｃ１一層分の高さである。

なお、ここでいう造形物昇降テーブル２３の最上面とは、すでに造形物昇降テーブル２３上に薄膜層１５ｃ（母材粒子層１５ｃ１及び微粒子層１５ｃ２）の一部が固化され積層された状態であれば、すでに積層された薄膜層１５ｃの最上面のことを言う。図３では、すでに造形物昇降テーブル２３上に一部が固化された薄膜層１５ｃが複数積層された状態を示している。なお、ここでいう、固化された一部とは、近赤外レーザ光Ｌ１が照射され溶融した後、固化された所望の積層造形物の一部のことである。

（１−３−１．第一工程）
第一工程Ｓ１０について説明する。上述したように、第一工程Ｓ１０は、金属粉末１５を構成する複数の母材粒子１５ａ及び複数の母材粒子１５ａと同種の金属（銅）で形成され、複数の母材粒子１５ａの平均体積Ｖ１よりも小さな平均体積Ｖ２で形成される複数の微粒子１５ｂを近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の照射範囲Ａｒ１に供給する工程である。

詳細には、第一工程Ｓ１０は、母材粒子供給工程Ｓ１０ａと、微粒子供給工程Ｓ１０ｂと、を備える。図６に示す母材粒子供給工程Ｓ１０ａは、照射範囲Ａｒ１に母材粒子層１５ｃ１を供給する工程である。母材粒子供給工程Ｓ１０ａでは、金属粉末供給制御部２５の制御により、母材粒子フィードテーブル２４が所定量だけ上昇される。そして、母材粒子格納部４１に格納される複数の母材粒子１５ａの一部を母材粒子収納容器２２ａの開口端（上端面）から突出させる。このとき、所定量は、例えば、複数の母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１より若干、大きな値である。

そして、金属粉末供給制御部２５の制御により、リコータ２６が、図３，図４における右から左へ移動することにより、母材粒子収納容器２２ａの開口端（上端面）から突出した複数の母材粒子１５ａを造形物昇降テーブル２３の最上面に運搬し、凹部の照射範囲Ａｒ１に複数の母材粒子１５ａを敷き詰め母材粒子層１５ｃ１を形成する。このとき、本実施形態では、凹部の深さは、複数の母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１より、若干深い。これにより、凹部には、図７に示すように平均粒径φＤ１の複数の母材粒子１５ａが一個ずつ敷き詰められる。

そして、リコータ２６は、凹部を右から左に向って通過したのち、微粒子収納容器２２ｂ上を右から左に向って通過する。このとき、微粒子収納容器２２ｂ内では、複数の微粒子１５ｂ（集合体）が微粒子収納容器２２ｂの上方の開口端（上端面）まで充填されているとともに、上方に突出していない。このため、仮にリコータ２６が、余った母材粒子１５ａを運搬し、微粒子収納容器２２ｂ上を通過しても、母材粒子１５ａは、良好に微粒子収納容器２２ｂの複数の微粒子１５ｂ上を通過し微粒子収納容器２２ｂの左側まで運搬される。また、リコータ２６は、微粒子収納容器２２ｂ内の微粒子１５ｂを掻きとることもない。

微粒子供給工程Ｓ１０ｂでは、リコータ２６が図３，図４における左から右に向って移動し、照射範囲Ａｒ１に微粒子層１５ｃ２を供給する。このため、まず、微粒子フィードテーブル２７が金属粉末供給制御部２５の制御により、所定量だけ上昇する。そして、微粒子格納部４２に格納される複数の微粒子１５ｂの一部を微粒子収納容器２２ｂの開口端（上端面）から突出させる。このとき、上昇する所定量は、例えば、複数の微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２より若干、大きな値である。

また、このとき、造形物昇降テーブル２３の最上面は、金属粉末供給制御部２５の制御により、造形用容器２１の開口端（上端面）よりも所定量だけ下降される。このとき、所定量は、薄膜層１５ｃを構成する微粒子層１５ｃ２一層分の高さである。つまり、複数の微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２より若干大きい高さである。

このような状態において、リコータ２６が、金属粉末供給制御部２５に制御され、図３，図４における左から右へ移動する。これにより、金属粉末供給制御部２５は、微粒子収納容器２２ｂの開口端（上端面）から突出した複数の微粒子１５ｂを造形物昇降テーブル２３の最上面が形成する凹部に運搬し、母材粒子供給工程Ｓ１０ａで敷き詰めた凹部（照射範囲Ａｒ１）内の母材粒子層１５ｃ１の上面に配置する（図５参照）。

換言すると、照射範囲Ａｒ１において、複数の微粒子１５ｂは、造形光ビームＬ１が照射される側（図５において上側）における複数の母材粒子１５ａの各表面である各被照射面１５ａ１と接触するよう配置され、微粒子層１５ｃ２（薄膜層１５ｃ）を形成する。なお、このとき、複数の微粒子１５ｂは、図５に示すように照射範囲Ａｒ１に敷き詰められた母材粒子層１５ｃ１の被照射面１５ａ１側に形成される窪み内に安定して配置される。

（１−３−２．第二工程）
次に、第二工程Ｓ２０について説明する。第二工程Ｓ２０では、造形光ビーム照射装置３０が備える造形制御部２８の制御によって、レーザ発振器３１を作動させる。そして、照射範囲Ａｒ１に供給された薄膜層１５ｃ（母材粒子層１５ｃ１，及び微粒子層１５ｃ２）の表面上の所定の位置に、近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）を照射する。このとき、所定の位置は、薄膜層１５ｃのうち複数の微粒子１５ｂが配置された位置であることが好ましい。しかし、所定の位置は、これから作製すべき積層造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づく位置であり、積層造形物を形成させたい位置である。

このため、近赤外レーザ光Ｌ１の照射は、複数の微粒子１５ｂに照射される場合及び母材粒子１５ａの被照射面１５ａ１に照射される場合の両方の場合を有する。そこで、各場合についてそれぞれ説明する。

まず、近赤外レーザ光Ｌ１が、照射範囲Ａｒ１において複数の微粒子１５ｂに照射された場合について説明する。近赤外レーザ光Ｌ１が、図８に示すように、薄膜層１５ｃの微粒子１５ｂ（Ａ）に照射されると、平均粒径φＤ２が小さく熱容量が小さな微粒子１５ｂ（Ａ）は、平均粒径φＤ１が大きく熱容量が大きな母材粒子１５ａに、近赤外レーザ光Ｌ１が照射された場合と比較して速やかに温度上昇する。これにより、温度上昇した微粒子１５ｂ（Ａ）は、接触する母材粒子１５ａ（Ａ）を加熱するとともに保温する。そして、微粒子１５ｂが、固相状態から液相状態に変化すると近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率は急激に上昇する。これにより、微粒子１５ｂ（Ａ）はさらに多くの近赤外レーザ光Ｌ１を吸収して温度上昇し、接触する母材粒子１５ａ（Ａ）をさらに加熱する。これにより、母材粒子１５ａ（Ａ）も微粒子１５ｂ（Ａ）と同様、短時間で溶融される。

次に、近赤外レーザ光Ｌ１が、照射範囲Ａｒ１において母材粒子１５ａの被照射面１５ａ１に照射された場合について説明する。図９に示すように、近赤外レーザ光Ｌ１が、薄膜層１５ｃの母材粒子１５ａ（Ｂ）の被照射面１５ａ１に照射されると、近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が低いため、母材粒子１５ａ（Ｂ）の温度上昇は遅い。しかしながら、近赤外レーザ光Ｌ１を吸収して若干上昇した温度は、母材粒子１５ａ（Ｂ）に接触する微粒子１５ｂ（Ｂ）の温度を上昇させる。これにより、温度上昇した微粒子１５ｂ（Ｂ）は、接触する母材粒子１５ａ（Ｂ）の保温材となり、近赤外レーザ光Ｌ１が照射される母材粒子１５ａ（Ｂ）の温度上昇を加速させることができる。このように、近赤外レーザ光Ｌ１が、母材粒子１５ａ（Ｂ）の被照射面１５ａ１に照射された場合においても、微粒子１５ｂ（Ｂ）との間の熱のやり取りによって母材粒子１５ａ溶融の時間短縮に寄与する。

そして、その後、短時間で溶融した母材粒子１５ａ及び微粒子１５ｂを冷却することにより、強度が高い固化薄膜層が形成される。なお、前述したように、このとき、本実施形態では、球状に形成された微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２は、球状に形成された母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１に対して、１／６（＝φＤ２／φＤ１）となるよう、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂが形成された。これにより、図２の条件の中では、母材粒子１５ａが速やかに溶融した後、固化し、固化した薄膜層１５ｃの部分の相対密度が向上される。このような、溶融と固化との繰り返しによって、相対密度が高い固化部分が積層され、延いては高強度の積層造形物が形成される。

なお、上記において、積層造形物が完成した後、積層造形物の周囲には、固化しなかった金属粉末１５（複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂ）、即ち残存金属粉末が残る。この残存金属粉末は、フィルタによって濾すことにより、複数の母材粒子１５ａと複数の微粒子１５ｂとに分離し再生できるので、効率的である。

＜２．第一実施形態の変形態様＞
上記第一実施形態においては、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂを球状に形成した。そして、球状に形成された微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２が、球状に形成された母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１に対して、例えば１／６（＝φＤ２／φＤ１）となるよう、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂが形成された。しかし、この態様には限らない。複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂは、球状ではなく、球状以外の異形形状で形成しても良い。

ただし、この場合、微粒子１５ｂは球状ではないため、平均粒径ではなく微粒子１５ｂの平均体積Ｖ２が、母材粒子１５ａの平均体積Ｖ１に対して６．４％以下となるよう母材粒子１５ａ及び微粒子１５ｂを形成する。これによっても、上記実施形態と同様の効果が得られ、例えば、安価な水アトマイズ法などで生成される異形形状粉末などに適用することができる。

また、上記実施形態では、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂが別々の格納部４０（母材粒子格納部４１、微粒子格納部４２）に格納され、金属粉末供給装置２０によって、それぞれ照射範囲Ａｒ１に供給されて金属粉末１５が得られる。しかしながらこの態様には限らず、照射範囲Ａｒ１に供給される前に母材粒子１５ａの外周面に複数の微粒子１５ｂが複数付着した状態で一つの格納部４０に格納されていても良い。この場合、複数の微粒子１５ｂが母材粒子１５ａの全周に付着した状態で照射範囲Ａｒ１に供給されると、付着した複数の微粒子１５ｂのうちいくつかは、近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）が照射される側における複数の母材粒子の各表面である各被照射面と接触するよう配置されている。これにより、上記実施形態と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、金属粉末１５の材質を銅として説明したが、この態様には限らずアルミであっても良い。これによっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態の態様に限らず、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂを照射範囲Ａｒ１に供給する際には、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂを上方から落下させてリコータ２６の近傍に供給し、供給した各粒子をリコータ２６の作動によって照射範囲Ａｒ１まで運搬させても良い。この場合、格納部４０（母材粒子格納部４１、微粒子格納部４２）の構造が本実施形態とは異なるものとなる。これによっても同様の効果が得られる。

＜３．上記実施形態による効果＞
上述から明らかなように、上記実施形態の製造方法によれば、第一工程Ｓ１０（Ｓ１０ａ，Ｓ１０ｂ）において、複数の母材粒子１５ａよりも平均体積Ｖ２が小さな複数の微粒子１５ｂが、母材粒子１５ａの被照射面１５ａ１に接触して配置されるよう照射範囲Ａｒ１に供給される。そして、第二工程Ｓ２０において、近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）が微粒子１５ｂに照射されると、平均体積Ｖ２が小さいため熱容量も小さな各微粒子１５ｂの温度は、平均体積Ｖ１の大きな母材粒子１５ａに近赤外レーザ光Ｌ１を照射した場合における母材粒子１５ａの温度上昇速度と比較して速やかに上昇し、微粒子１５ｂは迅速に溶融して液相状態となる。

これにより、溶融した微粒子１５ｂは、固相状態のときよりも近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の吸収率が向上しさらに良好な速度で温度が上昇する。このとき、溶融し温度上昇した微粒子１５ｂは、被照射面１５ａ１で接触する母材粒子１５ａを保温、及び加熱し、母材粒子１５ａに対する近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の吸収率を向上させる。このため、母材粒子１５ａに対し、直接、又は溶融した微粒子１５ｂを通して近赤外レーザ光Ｌ１が照射されると、近赤外レーザ光Ｌ１は母材粒子１５ａに良好に吸収され、母材粒子１５ａを短時間で溶融させることができる。このとき、微粒子１５ｂ及び母材粒子１５ａは同じ種類の金属であるので、溶融した金属中に不純物は混入しない。これらにより、相対密度が高密度で高強度な積層造形物が安定して製造できる。

また、上記実施形態の製造方法によれば、第一工程Ｓ１０は、母材粒子供給工程Ｓ１０ａと、微粒子供給工程Ｓ１０ｂと、を備える。母材粒子供給工程Ｓ１０ａでは、複数の母材粒子１５ａを近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の照射範囲Ａｒ１に供給する。微粒子供給工程Ｓ１０ｂでは、複数の微粒子１５ｂを、母材粒子供給工程Ｓ１０ａによって照射範囲Ａｒ１に供給された複数の母材粒子１５ａの各被照射面に接触して配置されるよう供給する。このように、母材粒子１５ａと微粒子１５ｂとを別々に照射範囲Ａｒ１に供給するので、母材粒子１５ａと微粒子１５ｂとの配置関係を確実に所望の状態にすることができ、その結果、安定して高密度で高強度な積層造形物を製造できる。

また、上記実施形態の製造方法によれば、複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂはともに球状であり、複数の微粒子１５ｂの平均粒径φＤ２は、複数の母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１に対して２／５以下である。複数の母材粒子１５ａ及び複数の微粒子１５ｂがこのような関係を有するので、図２のグラフに基づき、微粒子１５ｂ及び母材粒子１５ａは短時間で溶融に至ることができ、製作される造形物を、安定して高密度で高強度な積層造形物とすることができる。

また、上記実施形態の製造方法によれば、複数の微粒子１５ｂの平均体積Ｖ２は、複数の母材粒子１５ａの平均体積Ｖ１に対して６．４％以下である。これを、第一実施形態における微粒子１５ｂ及び母材粒子１５ａの平均粒径φＤ１、φＤ２に換算すると、（φＤ１／φＤ２）が２／５以下となるのと同等の大きさである。これにより、微粒子１５ｂ及び母材粒子１５ａは短時間で溶融に至ることができ、製作される造形物を、安定して高密度で高強度な積層造形物とすることができる。

また、上記実施形態の製造方法によれば、近赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）は、近赤外波長のレーザ光であり、金属粉末は、銅又はアルミによって形成される。銅又はアルミは、常温状態において近赤外波長のレーザ光の吸収率が非常に低い材料である。このため上記実施形態の製造方法では、はじめから近赤外波長のレーザ光の吸収率が高い他の金属を使用する場合と比べて大きな効果が望める。

また、上記実施形態に係る製造装置によれば、上記実施形態の製造方法で製造した積層造形物と同様、相対密度が高密度で高強度な積層造形物が安定して製造できる。

１０；チャンバ、 １５；金属粉末、 １５ａ；母材粒子、 １５ａ１；被照射面、 １５ｂ；微粒子、 ２０；金属粉末供給装置、 ２６；リコータ、 ３０；造形光ビーム照射装置、 ４０；格納部、 ４１；母材粒子格納部、 ４２；微粒子格納部、 １００；製造装置、 Ａｒ１；照射範囲、 Ｌ１；近赤外レーザ光（造形光ビーム）、 Ｓ１０；第一工程、 Ｓ１０ａ；母材粒子供給工程（第一工程）、 Ｓ１０ｂ；微粒子供給工程（第一工程）、 Ｓ２０；第二工程、 Ｖ１，Ｖ２；平均体積、 φＤ１，φＤ２；平均粒径。

Claims (12)

1. 造形光ビームの照射によって金属粉末を溶融させたのち固化させ積層造形する積層造形物の製造方法であって、
   前記金属粉末を構成する複数の母材粒子及び前記複数の母材粒子と同種の金属で形成され前記複数の母材粒子の平均体積よりも小さな平均体積で形成される複数の微粒子を前記造形光ビームの照射範囲に供給する第一工程と、
   前記第一工程において前記照射範囲に供給された前記複数の母材粒子の各表面のうち前記造形光ビームが照射される側の各表面である各被照射面及び前記複数の微粒子に前記造形光ビームを照射する第二工程と、を備え、
   前記第一工程において前記照射範囲に供給された前記複数の微粒子は、前記複数の母材粒子の前記各被照射面と接触するよう配置される、積層造形物の製造方法。
2. 前記第一工程は、
   前記複数の母材粒子を前記造形光ビームの前記照射範囲に供給する母材粒子供給工程と、
   前記複数の微粒子を、前記母材粒子供給工程によって前記照射範囲に供給された前記複数の母材粒子の前記各被照射面に接触して配置されるよう供給する微粒子供給工程と、を備える、請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記複数の母材粒子及び前記複数の微粒子はともに球状であり、前記複数の微粒子の平均粒径は、前記複数の母材粒子の平均粒径に対して２／５以下である、請求項１又は２に記載の積層造形物の製造方法。
4. 前記複数の微粒子の前記平均体積は、前記複数の母材粒子の前記平均体積に対して６．４％以下である、請求項１又は２に記載の積層造形物の製造方法。
5. 前記造形光ビームは、近赤外波長のレーザ光であり、
   前記金属粉末は、銅又はアルミによって形成される、請求項１−４の何れか１項に記載の積層造形物の製造方法。
6. 前記照射範囲に供給された前記金属粉末のうち、前記造形光ビームの照射によって溶融されずに残った残存金属粉末は、フィルタによって、前記母材粒子と前記微粒子と、に分離される、請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
7. 造形光ビームの照射によって金属粉末を溶融させたのち固化させ積層造形する積層造形物の製造装置であって、
   外気と内気との遮断が可能なチャンバと、
   前記金属粉末を構成する複数の母材粒子及び前記複数の母材粒子と同種の金属で形成され前記複数の母材粒子の平均体積よりも小さな平均体積で形成される複数の微粒子を格納する格納部と、
   前記チャンバの内部に設けられ、前記格納部内に格納される前記複数の母材粒子及び前記複数の微粒子を前記造形光ビームの照射範囲に供給する金属粉末供給装置と、
   前記照射範囲に供給された前記複数の母材粒子の各表面のうち前記造形光ビームが照射される側の各表面である各被照射面及び前記複数の微粒子に前記造形光ビームを照射する造形光ビーム照射装置と、を備え、
   前記照射範囲において、前記複数の微粒子は、前記複数の母材粒子の前記各被照射面と接触するよう配置される、積層造形物の製造装置。
8. 前記格納部は、
   前記照射範囲に供給される以前の前記複数の母材粒子を格納する母材粒子格納部と、
   前記照射範囲に供給される以前の前記複数の微粒子を格納する微粒子格納部と、
   を備え、
   前記金属粉末供給装置が、
   前記母材粒子格納部に格納される前記複数の母材粒子と、
   前記微粒子格納部に格納される前記複数の微粒子と、を、
   前記複数の母材粒子の前記各被照射面に前記複数の微粒子が接触して配置されるよう前記照射範囲に供給し、
   前記造形光ビーム照射装置が、前記照射範囲に供給された前記複数の母材粒子の前記各被照射面及び前記複数の微粒子に前記造形光ビームを照射する、請求項７に記載の積層造形物の製造装置。
9. 前記複数の母材粒子及び前記複数の微粒子はともに球状であり、前記複数の微粒子の平均粒径は、前記複数の母材粒子の平均粒径に対して２／５以下である、請求項７又は８に記載の積層造形物の製造装置。
10. 前記複数の微粒子の前記平均体積は、前記複数の母材粒子の前記平均体積に対して６．４％以下である、請求項７又は８に記載の積層造形物の製造装置。
11. 前記造形光ビームは、近赤外波長のレーザ光であり、
    前記金属粉末は、銅又はアルミによって形成される、請求項７−１０の何れか１項に記載の積層造形物の製造装置。
12. 前記照射範囲に供給された前記金属粉末のうち、前記造形光ビームの照射によって溶融されずに残った残存金属粉末は、フィルタによって、前記母材粒子と前記微粒子と、に分離される、請求項８に記載の積層造形物の製造装置。

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