JP2019077935A - 三次元造形装置、および三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属や合金の粉末を原料として用いる粉末床溶融結合法では、透過窓を介してレーザービームを照射して原料粉末薄層を選択的に加熱溶融させ、三次元造形物を形成する。原料粉末薄層を溶融させると、原料粉末の蒸気が冷却されてヒュームとして透過窓に付着してレーザービームの透過率を減少させるため、長期にわたり連続的に安定した三次元造形プロセスを続けることが困難であった。【解決手段】原料粉末薄層のうち、溶融させるべき領域に予備加熱用レーザービームを照射し、焼結温度以上で溶融温度未満に予備加熱する。予備加熱した部分が焼結温度以下に冷却しないうちに、本加熱用レーザービームを照射して焼結した部分を溶融させる。本加熱レーザービームにより被照射領域の一部が溶融し始めてから、被照射領域全体の原料粉末層が厚み方向全体まで溶融するまでに要する時間を格段に短縮することができる。このため、ヒュームの発生量を低減することが可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆる粉末床溶融結合法を実施する三次元造形装置、および三次元造形物の製造方法に関する。

近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法、光硬化性樹脂を用いた光造形法、粉末床溶融結合法等のさまざまな方式が知られている。

粉末床溶融結合法は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の原料粉末の薄層を形成する薄層形成工程と、原料粉末の薄層にレーザービームを照射し任意の部分を加熱溶融させ積層する加熱積層工程とを繰り返して三次元造形物を形成する方法である。粉末積層造形法と呼ばれることもある。
近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末床溶融結合法が活用されはじめている。粉末床溶融結合方式による三次元積層造形法は、試作品の迅速な製作ばかりでなく、実製品の製造への応用が期待されており、造形物の形状精度や材料物性の向上、そして製造の安定化が求められている。

造形物の形状精度や材料物性を得るためには、所定強度の安定したレーザービームを作成する造形物の形状に応じて原料粉末の薄層に照射する必要がある。造形は、通常はチャンバー内でおこなわれ、レーザービームがチャンバーの窓につけられたレーザーポートを通して照射されるが、照射強度を安定させるにはレーザーポートが清浄である必要がある。

造形中にレーザー照射により加熱された原料粉末が溶融温度を超えると、溶融部分から金属材料の蒸気が発生し、それがチャンバー内で冷やされ、チャンバーの構造物へと付着する。その付着物はヒュームと呼ばれている。ヒュームがレーザーポートの表面に付着すると、そこを透過するレーザーパワーを減衰させる要因となり、安定した造形の妨げとなる。
ヒュームの付着を予防するには、例えばチャンバー内の排気を行い、チャンバーに付着する前に外に排出させることが考えられるが、空気溜りの発生などのため付着を完全に防止するのは困難である。意図的にチャンバー内に気流を発生させて付着を防止している例も見られるが、真空や減圧雰囲気で造形を行う場合には、この方法は採用できない。そこで、レーザーポートにヒュームが付着するのを抑制するには、金属材料の蒸気の発生をできるだけ低減することが重要である。

ところで、三次元造形を行うためには、原料粉末層のうち三次元造形物として形成すべき部分を順次にレーザーで加熱して溶融させてゆくが、レーザーの照射開始後直ちに被照射領域の下に存在する全ての原料粉末が溶融するわけではない。平面的に見れば、被照射領域のうち照射エネルギー密度が高い部分あるいは被照射領域の中心部がまず溶融し、被照射領域全体に溶融が拡大してゆく。また、厚さ方向で見れば、原料粉末層全体が同時に溶融するわけではなく、溶融部分の深さは時間とともに拡大してゆく。
被照射領域の下に存在する原料粉末層は、その厚みに応じた熱容量を有するので、低温の原料粉末層を厚み方向全体にわたり溶融させるに足る熱量を吸収するには時間を要する。また、原料粉末層に吸収された熱エネルギーは被照射領域周辺の低温領域に拡散したり放射してしまうため、被照射領域全体を所定の深さ方向まで溶融させるには、レーザーの照射を継続する必要がある。このため、最初に局所的な溶融が生じてから被照射領域全体が所定の深さ方向まで溶融するまでの間ヒュームは発生し続けることになる。被照射領域の下に存在する原料粉末層が溶融したら、その領域へのレーザーの照射を終了して冷却させればよいが、上記の次第で少なくともレーザー照射による加熱期間中はヒュームが発生し続けることになる。

ところで、ヒュームの発生を抑制することとは別の目的で、レーザー照射に先駆けて原料粉末層を予備加熱する技術が知られている。
例えば、レーザー照射を行う前にヒーターや輻射加熱などの手段を用いて造形物を形成する領域の外側から均一に温めておき、レーザー照射後に固化した造形物内の残留応力を減らして反りやクラックの発生を防止する技術が知られている。

また、特許文献１には、材料粉末の焼結及び／又は溶融させるためのレーザー照射に先駆けて別のレーザービームで予備加熱して、残留応力やクラックの発生を抑制する方法が記載されている。すなわち、予備加熱用のレーザーと本加熱用のレーザーという２つのレーザーを備え、粉末床を予備加熱と本加熱の領域を分ける装置が記載されている。この装置では、予備加熱が終わると、加熱領域を１８０度回転させて本加熱を行うという方法を行っている。

また、特許文献２には、材料粉末を焼結させるためのレーザー照射に先駆けてレーザービームで予備加熱して、三次元造形物のカールを抑制する方法が記載されている。すなわち、照射径の異なる二つのレーザーを持ち、大きなスポット径を持つレーザーの照射領域内にもう一つのレーザースポットが重複するようにして加熱を行う装置が記載されている。

特開２０１５−１２０３４０号公報 特表平９−５０４０５５号公報

上述した従来の予備加熱方法、すなわち造形物の反りやクラックの発生を防止する目的で行われた予備加熱方法を、ヒュームの発生の抑制に適用しようとしても、必ずしも有効ではなかった。

まず、造形物を形成する領域の外側からヒーターや輻射加熱などを用いて原料粉末層全体を温める方法の場合には、加熱温度を高くすると原料粉末全体が焼結して固化してしまい、造形物との分離が困難になってしまう問題がある。例えば、ＳＵＳ３１６は溶融温度は約１４００℃であるが、約６００℃で焼結してしまい、その温度は溶融温度よりはるかに低い。また、チタンの場合は、溶融温度は１６００〜１７００℃であるが、約１１００℃で焼結してしまう。
焼結温度よりも低い温度すなわち溶融温度よりもはるかに低い温度までしか予備加熱することができないため、レーザー照射時に最初に局所的な溶融が生じてから被照射領域全体が所定の深さ方向まで溶融するまでに要する時間を短縮する効果は小さかった。すなわち、ヒュームの発生時間はほとんど短縮できなかった。

また、特許文献１に記載された予備加熱方法では、全体領域を二つに分け、片方の領域の予備加熱が終わるとその領域を１８０度回転させて本加熱を行う。このため、予備加熱後に本加熱を開始するまでに時間がかかる上、場所によっては本加熱時には冷却が進行している場合もある。また、予備加熱の温度は、焼結を防止するために溶融温度よりも低く抑制する必要があり、本加熱のレーザーの被照射部を予め十分に昇温しておくことはできなかった。このため、本加熱のレーザー照射時に最初に局所的な溶融が生じてから被照射領域全体が所定の深さ方向まで溶融するまでに要する時間を短縮する効果は小さかった。すなわち、ヒュームの発生時間はほとんど短縮できなかった。

また、特許文献２に記載された予備加熱方法は、溶融ではなく焼結を行うための加熱方法であるが、粉末床溶融結合法にこの予備加熱方法を適用するとしても、ヒュームの発生を低減させる効果は期待できなかった。というのも、この加熱方法では２つのレーザーを同じミラーで反射させているため、照射径を変えることができても、照射位置をずらすことができない。レーザー照射時間が長くなる本照射を終えた後は照射領域の温度をできるだけ早く下げる必要があるが、照射径が大きい方のレーザーに照射された領域の蓄熱がその冷却を妨げる場合があり、ヒュームの発生時間を短縮する効果は小さかった。

本発明は、三次元造形物の原料粉末の層を形成する層形成部と、予備加熱用レーザービーム源と、本加熱用レーザービーム源と、レーザービームを透過する透過部と、前記層形成部、前記予備加熱用レーザービーム源および前記本加熱用レーザービーム源を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記層形成部に前記原料粉末の層を形成させ、前記層のうち三次元造形物を形成する部位に、前記予備加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して予備加熱用レーザービームを照射し、前記部位を前記原料粉末の焼結温度より高くかつ溶融温度より低くなるように予備加熱し、前記予備加熱用レーザービームの照射軌跡を追跡するように前記本加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して本加熱用レーザービームを照射し、前記部位を溶融温度よりも高くなるように加熱し、三次元造形物を形成する、ことを特徴とする三次元造形装置である。

また、本発明は、三次元造形物の原料粉末の層を形成する層形成部と、予備加熱用レーザービーム源と、本加熱用レーザービーム源と、レーザービームを透過する透過部と、前記層形成部、前記予備加熱用レーザービーム源および前記本加熱用レーザービーム源を制御する制御部と、を有する三次元造形装置を用いた三次元造形物の製造方法であって、前記制御部は、前記層形成部に前記原料粉末の層を形成させる層形成処理と、前記層のうち三次元造形物を形成する部位に、前記予備加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して予備加熱用レーザービームを照射し、前記部位を前記原料粉末の焼結温度より高くかつ溶融温度より低くなるように予備加熱する予備加熱処理と、前記予備加熱用レーザービームの照射軌跡を所定時間後に追跡するように前記本加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して本加熱用レーザービームを照射し、前記部位を溶融温度よりも高くなるように加熱する本加熱処理と、を繰り返し実行して三次元造形物を形成する、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。

本発明によれば、粉末床溶融結合法において、原料が溶融している時間を短縮することが可能なためヒュームの発生を抑制でき、レーザービームの透過部を長時間にわたり清浄な状態に保つことが可能である。

実施形態の三次元造形装置の概略構成を示す図。 実施形態の三次元造形プロセスを示すフローチャート。 （ａ）〜（ｇ）は、薄層形成工程の各段階の状態を示す概念図。 制御部とレーザー発振器、光学系の構成を示す簡易ブロック図。 一層分の造形領域へのレーザー加熱プロセスを示すフローチャート。 （ａ）〜（ｃ）は、一層分の造形領域へのレーザー加熱プロセスの前半の各段階の状態を示す概念図。 （ｄ）〜（ｆ）は、一層分の造形領域へのレーザー加熱プロセスの後半の各段階の状態を示す概念図。 固化される領域の温度履歴を示すグラフ。

［実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態である三次元造形物の製造方法と、それに用いる三次元造形装置について説明する。

（三次元造形装置）
図１は、実施形態の三次元造形装置の概略構成を示す図である。三次元造形装置１００は、原料粉末１の薄層１ａ上の任意の領域にレーザービームを照射して溶融させ、溶融した領域１ｂを固化して積層して三次元造形物２を造形する。すなわち、三次元造形装置１００は、粉末床溶融結合方式による三次元積層造形法を用いている。三次元造形装置１００は、不活性ガス雰囲気や減圧雰囲気等の低酸素雰囲気にて粉末床溶融結合方式の造形を行うことが可能に構成されているため、三次元造形物２の酸化が防止され、三次元造形物２の機械強度を向上させ得る。

本実施形態で好適に用いる原料粉末は、金属あるいは合金を主成分とする粉末である。例えば、ＳＵＳ、チタン、アルミニウムや金属化合物、合金化合物の粉末が用いられる。
以下、三次元造形装置１００の各部について説明する。

制御部２０は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，Ｉ／Ｏポート等を内蔵するコンピュータであり、三次元造形装置１００の各部の動作を制御する。三次元造形装置１００内のレーザー発振器、光学系、造形ステージ、供給ステージ、排気機構、ガス供給機構、供給機構をはじめとする各部と信号の授受を行うとともに、外部のネットワークやコンピュータとも接続可能である。尚、図１では図示の便宜のため、各部と接続する信号線の多くを省略している。

チャンバー４は、造形ステージ５や供給ステージ６を外気から遮蔽するための容器であり、例えば幅１５００ｍｍ、奥行き１０００ｍｍ、高さ９００ｍｍの容積を有し、ステンレスで形成されている。チャンバー４には、真空計１４が接続されており、真空計１４はチャンバー４内の真空度を検知し、制御部２０に伝達する。

チャンバー４に付帯して、チャンバー４内の雰囲気を調整する雰囲気調整機構が設けられている。
まず、排気機構１３は、チャンバー４内の雰囲気を排気して減圧することができる。排気機構１３は、チャンバー４内に存在する空気を排気してチャンバー４内の酸素を減少させることができる。排気機構１３は、例えばドライポンプ１３ｂとターボ分子ポンプ１３ａを直列に接続して構成され、チャンバー４の到達真空度を例えば１×１０^−４Ｐａとすることができる。排気機構１３は、チャンバー４との接続部に開口量を調整可能な不図示の開口調整弁を備える。
ガス供給機構１２は、排気機構１３により減圧されたチャンバー４内に任意のガスを供給可能である。ガス供給機構１２は、マスフローコントローラー１２ａを通じて、各種ガスを所定流量でチャンバー４に供給可能である。ガス供給部１２ｂは、窒素ガス、アルゴンガス等を、任意の混合割合でマスフローコントローラー１２ａに供給可能である。

制御部２０は、排気機構１３、開口調整弁、ガス供給機構１２、マスフローコントローラー１２ａ、等を制御して、チャンバー内を三次元造形に適した雰囲気に調整する。具体的には、レーザーを照射して原料粉末を加熱した際に原料が酸化しないように、減圧雰囲気にしてチャンバー内の酸素分圧を減少させる場合がある。さらには、減圧後に窒素ガスを導入して圧力を調整したり、窒素ガスを導入後に再度減圧して残留酸素をさらに減少させ、窒素分圧が酸素分圧よりも高い減圧雰囲気を形成する場合がある。

次に、レーザー光源を用いた加熱機構について説明する。
三次元造形装置１００では、チャンバー４の外部に置かれたレーザー発振器３０およびレーザー発振器３１から出力したレーザービームを、チャンバー４に取り付けられた透過部材３を透過させてチャンバー４内へ入射させる。
チャンバー４には、例えば、造形テーブル１１から垂直方向に５６５ｍｍ離れた位置に、直径２９４ｍｍ、厚み２０ｍｍの円板形状の透過部材３が設置されている。透過部材３は、例えば合成石英の板の両面に反射防止膜をコーティングしたもので、ヒュームによる汚染がなければ、レーザー発振器３０およびレーザー発振器３１のレーザービームを９９％以上の高い透過率で透過させ得る。

加熱手段であるレーザー発振器３０およびレーザー発振器３１は、例えば、最大出力が５００Ｗ、波長が１０７０ｎｍのＹＡＧレーザー発振器であり、制御部２０が出力する制御信号に従って動作する。レーザー発振器３０が出力するレーザー光はファイバケーブル３４により光学系３２に導かれ、レーザー発振器３１が出力するレーザー光はファイバケーブル３５により光学系３３に導かれる。
光学系３２および光学系３３の各々は、反射ミラー、ガルバノスキャナー、ｆθレンズ等の光学素子を含んでいる。光学系３２および光学系３３は、制御部２０が出力する制御信号に従ってガルバノスキャナーを作動させてレーザービームを走査し、造形ステージ５上の薄層１ａの任意の領域を照射して加熱することができる。

予備加熱用レーザービーム源としてのレーザー発振器３０が出力するレーザー光は、造形ステージ５の上に形成された原料粉末の薄層のうち三次元造形物として固化すべき領域を選択的に予備加熱するために用いられる。ここで、選択的に予備加熱するとは、本加熱よりも所定時間前に、焼結温度より高くかつ溶融温度より低くなるように三次元造形物として固化すべき領域を選択的に加熱することを言う。

本加熱用レーザービーム源としてのレーザー発振器３１が出力するレーザー光は、造形ステージ５の上に形成された原料粉末の薄層のうち三次元造形物として固化すべき領域を本加熱するために用いられる。ここで、本加熱とは、予備加熱後に溶融温度より高い温度になるように追加の加熱を行うことを言う。具体的な加熱の手順については、後述する。

次に、原料粉末の薄層を形成する層形成処理を行うための層形成部の機構を説明する。
チャンバー４の内部には、造形テーブル１１が配され、造形テーブル１１には造形ステージ５と原料粉末の供給ステージ６と回収容器８が組み込まれている。造形ステージ５は、原料粉末の薄層を形成するための基台であるとともに、形成された三次元造形物を支持する台でもある。造形ステージ５の上では、まず原料粉末の薄層が形成され、次に薄層の所定領域をレーザービームにより予備加熱して焼結させ、続いて所定領域をレーザービームにより本加熱して溶融させ、冷却して固化させる。これを繰り返し行うことにより、造形ステージ５の上には固化部が堆積され、三次元造形物２が形成される。

造形ステージ５は、サーボモータ５ａ、ボールねじ５ｂ、リニアガイド５ｃ等から構成される昇降機構５ｍを有する。昇降機構５ｍは、三次元造形物２の一層分が形成される度に、次の層の形成に備えて造形ステージ５を下降させる。
また、造形ステージ５には、全体加熱手段であるヒーターユニット９が設置されている。ヒーターユニット９は、造形プレート１０を所望の温度に加熱し、原料粉末の薄層全体および形成された三次元造形物全体を加熱することができる。

造形テーブル１１には、造形ステージ５に隣接して供給ステージ６が配置されている。供給ステージ６は、サーボモータ６ａ、ボールねじ６ｂ、リニアガイド６ｃ等から構成される昇降機構６ｍを有する。供給ステージ６は材料粉末を蓄積しており、適宜のタイミングで造形ステージ５にこれを供給する。
供給機構７は、造形ステージ５に原料粉末１の薄層１ａを形成する。供給機構７は、直動機構７ｂにより供給ローラ７ａを駆動して、造形テーブル１１の上面に沿って供給ステージ６から造形ステージ５へ向かって移動させる。供給ローラ７ａの回転方向は造形テーブル１１に対してカウンタ方向で、造形ステージ５の上面で原料粉末をすり切りつつ移動するため、造形ステージ５の上に材料粉末の薄層を形成することができる。

（造形プロセス）
次に、三次元造形装置１００により三次元造形物を形成するプロセスを説明する。制御部２０は、三次元造形装置１００の各部を制御して、三次元造形プロセスを実行して三次元造形物２を造形する。
図２は、造形プロセスの概略を示すフローチャートである。

造形プロセスが開始されると、まず材料供給工程（Ｋ１）では、供給ステージ６の上部に原料粉末１がセットされる。

次に、環境制御工程（Ｋ２）では、制御部２０は、排気機構１３およびガス供給機構１２によりチャンバー４内の雰囲気を三次元造形に適した初期状態になるよう制御する。尚、制御部２０は、Ｋ３以降の工程においても、ガス供給機構１２によってチャンバー４に導入ガスを供給しつつ、真空計１４の出力に応じて排気機構１３の開口調整弁を調整することで、チャンバー内を三次元造形に適した雰囲気組成と真空度に維持する。
また、制御部２０はヒーターユニット９を駆動して造形ステージ５を所望の温度に加熱する。ヒーターユニット９の出力は、後に造形ステージ５上に原料粉末の薄層が形成されたときに、薄層の全体を焼結温度未満に加熱する全体加熱処理を実行できるよう制御部２０によって制御される。

次に、薄層形成工程（Ｋ３）を行い、造形ステージ５の上に原料粉末が敷かれた厚みΔＺの薄層を形成する。
図３（ａ）〜図３（ｇ）は、薄層形成工程の各段階における造形ステージ５、供給ステージ６、供給ローラ７ａの動作を示した模式図である。

まず、図３（ａ）に示すように、制御部２０は、造形ステージ５上の原料粉末の上面が造形テーブル１１の上面よりもΔＺ１低くなるように造形ステージ５を下降させる。この際、最終的に形成する薄層の厚みΔＺに対して、ΔＺ１≧ΔＺが満足されるように下降させる。

次に、図３（ｂ）に示すように、制御部２０は、供給ステージ６の原料粉末の上面が造形テーブルの上面よりもΔＺ２高くなるように、供給ステージ６を上昇させる。この際、ΔＺ２≧ΔＺかつΔＺ２≧ΔＺ１が満足されるようにする。

次に、図３（ｃ）〜図３（ｄ）に示すように、制御部２０は、供給ローラ７ａを回収容器８側まで移動させ、供給ステージ６上の原料粉末を造形ステージ５上に移動させる。このとき供給ローラ７ａによりすり切られた余分な材料粉末は、回収容器８に回収されて再利用される。

その後、図３（ｅ）に示すように、制御部２０は、造形テーブル１１の上面より下の原料粉末１の薄層１ａの厚みがΔＺとなるまで造形ステージ５を上昇させる。

続いて、図３（ｆ）〜図３（ｇ）に示すように、制御部２０は、供給ローラ７ａを回転させつつ供給ステージ６の原点位置に移動させる。原料粉末１の薄層を供給ローラ７ａが押圧して圧縮することにより原料粉末の充填密度が高まり、造形ステージ５の上には厚みΔＺの薄層が形成される。

次に、図２に戻り、条件設定工程（Ｋ４）では、制御部２０は、作成する三次元造形物の形状に基づく薄層ごとの造形パラメータを設定し、制御部２０内の記憶領域２１に記憶させる。造形パラメータとは、三次元造形する際に用いるレーザー発振器や光学系の制御パラメータである。

具体的には、作成する三次元造形物の形状に基づいて薄層ごとに形状が決められた加熱領域を、レーザービームで走査するための走査経路が挙げられる。さらに、走査経路に沿って、レーザー発振器３０が出力する予備加熱用レーザービームを先行走査させ、所定時間後にレーザー発振器３１が出力する本加熱用レーザービームが後行走査するように光学系３２と光学系３３を制御するパラメータが挙げられる。また、予備加熱用レーザービームを所定の走査速度で先行走査した際に、走査経路の原料粉末が焼結温度より高くかつ溶融温度より低くなるようにレーザー発振器３０の出力強度を制御するパラメータが挙げられる。また、予備加熱用レーザービームを先行走査させた所定時間後に本加熱用レーザービームを後行走査した際に、走査経路の原料粉末が溶融温度より高くなるようにレーザー発振器３１の出力強度を制御するパラメータが挙げられる。
尚、これらの条件は、制御部２０のＣＰＵが計算して設定してもよいが、外部コンピュータを用いて設定し、Ｉ／Ｏポートを経由して制御部２０の記憶領域２１にロードしてもよい。

レーザー加熱の準備が完了したら、加熱積層工程（Ｋ５）を行う。
図４は、制御部２０の構成要素、レーザー発振器３０、レーザー発振器３１、光学系３２、光学系３３の接続関係を示す簡易ブロック図である。レーザー発振器３０は出力制御部２３のＡポートと接続され、レーザー発振器３１は出力制御部２３のＢポートと接続されている。光学系３２は位置制御部２４のＡポートと接続され、光学系３３は位置制御部２４のＢポートと接続されている。

制御部２０内の制御統括部２２は、記憶領域２１から造形パラメータを読出し、予備加熱用レーザービームと本加熱用レーザービームが所定の時間間隔で固化すべき領域を走査するように各部の動作を制御統括する。すなわち、制御統括部２２は、予備加熱用レーザービームが走査した経路を本加熱用レーザービームが所定時間後に追従して走査するように出力制御部２３と位置制御部２４に対して指示命令を伝達し、各レーザー発振器と各光学系を連係動作させる。

具体的には、図５のフローチャートに示すように、Ｓ４１にて一層分の造形領域へのレーザー加熱プロセスを開始すると、Ｓ４２にて予備加熱用レーザービームの照射が開始される。そして、Ｓ４３にて所定時間の経過が判断された後に、Ｓ４４にて本加熱用レーザービームの照射が開始される。ここで留意すべきは、一層分の造形領域への予備加熱用レーザービームの照射が完了してから所定時間後に本加熱用レーザービームの照射が開始されるのではない点である。予備加熱用レーザービームを所定間隔で追従するように本加熱用レーザービームを走査するため、造形領域の異なる２点を予備加熱用レーザービームと本加熱用レーザービームが同時に照射しているような状態が生じ得るといえる。

そして、一層には、独立した複数の造形領域が含まれることもあり得るが、未照射の造形領域が存する場合は、Ｓ４２に戻りその領域に対して予備加熱用レーザービームの照射が開始される。Ｓ４５にて一層分の全ての造形領域への予備加熱用レーザービーム及び本加熱用レーザービームの照射が完了したと判断されると、Ｓ４６にて一層分のレーザー加熱プロセスが完了する。

図６および図７は、一層分の造形領域へのレーザー照射による加熱プロセスの各段階を順を追って説明するための簡易的な斜視図である。
図６（ａ）は、作成しようとする三次元造形物の一層分のスライスデータに基づき、原料粉末層のうち加熱溶融処理を行って固化させる部位と固化させない部位を区別して示した模式図である。図中で、６１は一層分の原料粉末の薄層全体を表し、６２は加熱溶融処理を行って固化させる部位を、６３は加熱溶融処理を行わずに原料粉末層としてそのまま残す部位を示している。

図６（ｂ）は、加熱溶融処理を行って固化させる領域６２に、予備加熱用レーザービームおよび本加熱用レーザービームを照射する際の走査経路６４を示した模式図である。図中では、矢印付きの線を用いて、レーザービームを照射する際の走査経路６４を模式的に示している。図示の例では、溶融させるべき矩形領域を一筆書きのジグザグ線で走査するが、これ以外の走査経路であってもよい。走査経路６４は、造形パラメータとして制御部２０内の記憶領域２１に記憶されている。

図６（ｃ）は、図５のＳ４２において予備加熱用レーザービームの照射を開始した後の状態を示した模式図である。図では、走査経路６４に沿って走査中の予備加熱用レーザービーム６５が示されている。予備加熱処理は、図４の制御統括部２２の指示により、出力制御部２３のＡポートおよび位置制御部２４のＡポートから、レーザー発振器３０および光学系３２に駆動制御信号が送られて実行される。レーザー発振器３０の出力パワーや、光学系３２のビーム走査速度やビーム径は、照射された領域の原料粉末が焼結温度より高くかつ溶融温度より低くなるように制御される。図６（ｃ）に示す部分６６は、予備加熱用レーザービームの照射により焼結温度よりも高い状態になっている領域を模式的に示している。

図７（ｄ）は、図５のＳ４４において本加熱用レーザービームが照射を開始した後の状態を示した模式図である。本加熱用レーザービーム６７は、走査経路６４に沿って所定の時間間隔をあけて予備加熱用レーザービームの照射軌跡を追跡走査するように同期制御される。本加熱処理は、図４の制御統括部２２の指示により、出力制御部２３のＢポートおよび位置制御部２４のＢポートから、レーザー発振器３１および光学系３３に駆動制御信号が送られて実行される。レーザー発振器３１の出力パワーや、光学系３３のビーム走査速度やビーム径は、照射された領域の原料粉末が溶融温度以上になるように制御される。図７（ｄ）に示す部分６６は、予備加熱用レーザービームの照射により焼結温度よりも高い状態になっている領域を、部分６８は本加熱用レーザービームの照射により溶融状態になっている領域を模式的に示している。尚、予備加熱用レーザービームが照射する照射スポット６９の面積は、本加熱用レーザービームが照射する照射スポット７０の面積の０．８倍以上で１．０倍以下あることが望ましい。また、予備加熱用レーザービームのパワーは、本加熱用レーザービームのパワーの１．０倍以上で１．５倍以下であることが望ましい。

図７（ｅ）は、予備加熱用レーザービームおよび本加熱用レーザービームの走査がさらに進んだ状態を示した模式図である。本加熱レーザービームの照射により溶融温度以上に加熱された領域は、その後は時間の経過とともに周囲に熱を拡散したり放射したりして温度が低下し、固化する。図中の７１は、固化した領域を模式的に示している。

図７（ｆ）は、予備加熱用レーザービームおよび本加熱用レーザービームの照射の完了後に、溶融した部分の固化が完了した状態を示す模式図である。６３は加熱溶融処理を受けず原料粉末層が残る領域、７１は加熱溶融処理後に固化した領域を模式的に示している。

本実施形態の三次元造形方法および三次元造形装置によれば、原料粉末薄層のうち固化すべき領域は、図８に示す温度履歴を経由して固化する。図８において、縦軸は温度、横軸は時間の経過を示しており、原料粉末が造形ステージ上に薄層として付与されてから固化が完了するまでの経過を示している。原料粉末の薄層は、まず全体予備加熱手段では常温から焼結温度未満のＴ１まで昇温される。この全体加熱手段による加熱により、固化物を積層して造形してゆく際の固化物の反りや熱応力の残留を抑制することができる。

そして、予備加熱レーザービームで加熱領域をＴ２分だけ加熱し、焼結温度を越え溶融温度に近い温度まで予備加熱を行う。そして、所定時間後、すなわち予備加熱による蓄熱で温度が焼結温度以上である間に本加熱レーザービームにてＴ３分だけ加熱を行い、溶融温度以上まで昇温させて、照射領域下の材料を全て溶融させる。その後、この領域への本加熱レーザービームの照射を中止してＴ１付近まで冷却させ、溶融した材料を固化させる。

図２に戻ると、以上により、一層分の加熱積層工程（Ｋ５）が完了する。制御部２０は、全層分の三次元造形が完了したかを検証し（Ｋ６）、未だ完了していない場合には造形が完了するまで、薄層形成工程（Ｋ３）、条件呼び出し工程（Ｋ４）、および加熱積層工程（Ｋ５）を繰り返して、目的とする三次元造形物２を造形する。制御部２０は、造形が完了すると、造形物取り出し工程（Ｋ７）を実行する。造形物取り出し工程（Ｋ７）では、三次元造形物２の冷却を待ってチャンバー４内を大気圧に戻し、三次元造形物２が取り出せる環境になったら、作業者が三次元造形物２を取り出す。

本実施形態によれば、予備加熱レーザービームによりヒュームを発生させることなく、しかも余分な領域を焼結させることもなく、溶融させるべき領域だけを予め焼結温度以上ではあるが溶融温度未満にまで加熱する。そして、予備加熱による蓄熱で温度が焼結温度以上にある間に本加熱レーザービームを照射することで、被照射領域の一部が溶融し始めてから、被照射領域全体の原料粉末層が厚み方向全体まで溶融するまでに要する時間を格段に短縮することができる。このため、ヒュームの発生量を低減することが可能になり、レーザービームの透過部へのヒュームの付着が抑制され、連続的に多数の三次元造形物を安定して作成することが可能となった。
[実施例]
以下に、具体的な実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。

実施例においては、全体予備加熱手段、予備加熱用レーザービーム、本加熱用レーザービームを用い、予備加熱用レーザーを本加熱用レーザーに対して先行して走査させて、粉末床溶融結合方式による三次元積層造形法を行った。加熱方法は、全体予備加熱手段で焼結温度未満まで予備加熱し、予備加熱用レーザーで焼結温度以上かつ溶融温度未満まで予備加熱を行い、本加熱用レーザーで溶融温度以上に加熱した。

（実施例の造形条件と造形プロセス）
材料供給工程（Ｋ１）では、供給ステージ６を下降させた状態で、造形材料である金属粉末を材料供給ステージの上部に供給した。用いた材料粉末は、ＳＵＳ６３０の粒径２０μｍ以下のものとした。環境制御工程（Ｋ２）では、チャンバー４内の真空度を１×１０^−２Ｐａまで排気して雰囲気中の酸素を減少させた。そのあと、マスフローコントローラー１２ａを通じて、窒素ガスをチャンバー４内に導入し、チャンバー４内を低酸素濃度かつ真空度が３．０×１０^−１Ｐａとなるようにした。全体予備加熱を行うヒーターユニット９は造形ステージ５の温度が４５０℃となるように出力を調整した。また、造形プロセスの実行中は、真空計１４の出力に応じて排気機構１３の開口調整弁を調整することで、真空度を維持した。

薄膜形成工程（Ｋ３）では、供給機構７を制御して、造形ステージ５の上に原料粉末の厚みΔＺ＝５０μｍの薄層を形成した。最初に、造形ステージの原料粉末の上面が造形テーブル１１の上面よりもΔＺ１＝５２μｍ低くなるように造形ステージ５を下降させた。続いて、供給ステージ６の原料粉末の上面が造形テーブルの上面よりもΔＺ２＝５５μｍ高くなるように、供給ステージ６を上昇させた。そして、供給機構７により供給ローラ７ａを駆動させ、供給ステージ６上の原料粉末１を造形ステージ５に移動させた。その後、造形ステージ５を原料粉末の薄層１ａの厚みがΔＺ＝５０μｍとなるまで上昇させ、供給ローラ７ａで押圧することにより材料粉末の密度を高め、薄層１ａを形成した。
条件設定工程（Ｋ４）では、制御部２０内の記憶領域２１に保存されているスキャン経路ごとにあらかじめ設定した造形パラメータを呼び出した。

加熱積層工程（Ｋ５）では、スキャン経路ごとに呼び出した造形パラメータに従って、レーザービーム照射を行い、造形物を積層させた。レーザービームは本加熱用レーザーが現レイヤー上でスポット径８０μｍ、予備加熱用レーザービームのスポット径が７５μｍとなるように調整している。予備加熱用レーザーと本加熱用レーザーはともに３６０ｍｍ／ｓのスキャン速度とした。本加熱用レーザーのレーザーパワーは８０Ｗ、予備加熱用レーザーのレーザーパワーは８５Ｗに設定した。
造形中は、制御部２０内の位置制御部２４にて、予備加熱用レーザーが本加熱用レーザーに対して所定時間間隔で先行するように光学系３２および３３の方向を同期させながら制御した。

［比較例］
比較例として、実施例よりも弱いパワーの予備加熱用レーザーで焼結温度未満に加熱し、その後に本加熱用レーザーを走査するという造形プロセスで、粉末床溶融結合方式による三次元積層造形法を行った。

（比較例の造形条件と造形プロセス）
比較例では、加熱積層工程（Ｋ５）において、実施例と同じ走査パターンで予備加熱用レーザーを走査し終わった後に本加熱用レーザーによる加熱を行った。予備加熱用レーザービームの出力は焼結温度未満にしか予備加熱をしないために２０Ｗとした。本加熱用レーザービームについては、実施例と同じスキャン速度で走査すると、実施例と同じパワーでは照射領域全体を深さ方向まで完全に溶融させることができなかったので、９０Ｗとした。その他の工程は実施例と同様である。

［評価］
実施例と比較例について、繰り返し１００時間にわたり造形を繰り返した。造形と造形の間に透過部材３の表面の清掃は行わなかった。その後、透過部材をチャンバーより取り外して、レーザーパワーセンサーとメーターを使い、透過部材３を透過させた時のパワー測定を行った。
レーザーは、造形と同じＹＧＡレーザーであり、波長が１０７０ｍｍ、最大出力が３０Ｗのものを使用した。レーザー出力口とパワーセンサーを直線上に配置し、測定用レーザーの出力調整を行った。レーザー出力は３０Ｗとし、ビーム径が０．２ｃｍとなるようにデフォーカスした位置にパワーセンサーを設置した。次に、レーザー出力光とパワーセンサーの間に透過部材３を設置し、同様にレーザーパワーを測定した。

実施例では、透過部材を透過させない場合に対して、透過部材を透過させた場合のパワーロスは極めて小さく、透過させてもレーザーパワーはほとんど変わらなかった。すなわち、連続１００時間程度の造形では、ヒュームの透過部材への付着は極微量であった。
これに対して、比較例では、透過部材を透過させない場合に対して、透過部材を透過させた場合のパワーロスは大きく、有意な差異が計測された。比較例の方法では、ヒュームが透過部材の表面に付着しており、精度の高い三次元造形を同じレーザー駆動条件で継続することが困難になっていた。

［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述したものに限られるものではなく、適宜変更することが可能である。
たとえば、予備加熱用レーザービームと本加熱用レーザービームは、必ずしも同一の透過部材を透過して照射する必要はなく、別々の透過部材を介してレーザービームを照射してもよい。その場合であっても、本発明によればヒュームの発生を低減できるので、各透過部材へのヒュームの付着を低減できる。
また、予備加熱用レーザービーム源と本加熱用レーザービーム源は、必ずしも同種のレーザー光源を用いなくともよい。
また、三次元造形物の反りの問題が顕在化しない場合には、ヒーターユニットによる全体予備加熱は行わなくともよい。

本発明のいろいろな実施形態によれば、粉末床溶融結合法において原料が溶融している時間を短縮することが可能なためヒュームの発生を抑制でき、レーザービームの透過部を長時間にわたり清浄な状態に保つことが可能である。

１・・・原料粉末／１ａ・・・薄層／１ｂ・・・固化領域／２・・・三次元造形物／３・・・透過部材／４・・・チャンバー／５・・・造形ステージ／５ｍ・・・昇降機構／６・・・供給ステージ／７ａ・・・供給ローラ／８・・・回収容器／９・・・ヒーターユニット／１１・・・造形テーブル／１２・・・ガス供給機構／１２ａ・・・マスフローコントローラー／１２ｂ・・・ガス供給部／１３・・・排気機構／１３ａ・・・ターボ分子ポンプ／１３ｂ・・・ドライポンプ／１４・・・真空計／２０・・・制御部／２１・・・記憶領域／２３・・・出力制御部／２４・・・位置制御部／３０・・・レーザー発振器／３１・・・レーザー発振器／３２・・・光学系／３３・・・光学系／３４・・・ファイバケーブル／３５・・・ファイバケーブル／６２・・・加熱溶融処理を行って固化させる領域／６３・・・加熱溶融処理を行わない領域／６４・・・走査経路／６５・・・予備加熱用レーザービーム／６６・・・予備加熱用レーザービームの照射により焼結した領域／６７・・・本加熱用レーザービーム／６８・・・本加熱用レーザービームの照射により溶融状態にある領域／６９・・・予備加熱レーザービームのスポット／７０・・・本加熱レーザービームのスポット／７１・・・加熱溶融処理後に固化した領域／１００・・・三次元造形装置

Claims (16)

1. 三次元造形物の原料粉末の層を形成する層形成部と、
   予備加熱用レーザービーム源と、
   本加熱用レーザービーム源と、
   レーザービームを透過する透過部と、
   前記層形成部、前記予備加熱用レーザービーム源および前記本加熱用レーザービーム源を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記層形成部に前記原料粉末の層を形成させ、
   前記層のうち三次元造形物を形成する部位に、前記予備加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して予備加熱用レーザービームを照射し、前記部位を前記原料粉末の焼結温度より高くかつ溶融温度より低くなるように予備加熱し、
   前記予備加熱用レーザービームの照射軌跡を追跡するように前記本加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して本加熱用レーザービームを照射し、前記部位を溶融温度よりも高くなるように加熱し、
   三次元造形物を形成する、
   ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記制御部は、
   前記予備加熱した部位が前記原料粉末の焼結温度よりも低くなる前に前記本加熱用レーザービームを照射する、
   ことを特徴とする請求項１に記載した三次元造形装置。
3. 前記三次元造形装置は、さらに、
   前記層形成部が形成した層全体を加熱する全体加熱手段を有し、
   前記制御部は、前記層形成部に前記原料粉末の層を形成させた後、前記全体加熱手段により前記層を前記原料粉末の焼結温度より低い温度に加熱する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載した三次元造形装置。
4. 前記層形成部は、金属あるいは合金を主成分とする原料粉末の層を形成する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載した三次元造形装置。
5. 前記層形成部の雰囲気を、減圧雰囲気にするためのチャンバーを備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載した三次元造形装置。
6. 前記層形成部の雰囲気を、窒素分圧が酸素分圧よりも高い雰囲気にするための雰囲気調整機構を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載した三次元造形装置。
7. 前記予備加熱用レーザービームが前記層を照射する照射スポットの面積は、前記本加熱用レーザービームが前記層を照射する照射スポットの面積の０．８倍以上で１．０倍以下である、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載した三次元造形装置。
8. 前記予備加熱用レーザービームのパワーは、前記本加熱用レーザービームのパワーの１．０倍以上で１．５倍以下である、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載した三次元造形装置。
9. 三次元造形物の原料粉末の層を形成する層形成部と、
   予備加熱用レーザービーム源と、
   本加熱用レーザービーム源と、
   レーザービームを透過する透過部と、
   前記層形成部、前記予備加熱用レーザービーム源および前記本加熱用レーザービーム源を制御する制御部と、を有する三次元造形装置を用いた三次元造形物の製造方法であって、
   前記制御部は、
   前記層形成部に前記原料粉末の層を形成させる層形成処理と、
   前記層のうち三次元造形物を形成する部位に、前記予備加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して予備加熱用レーザービームを照射し、前記部位を前記原料粉末の焼結温度より高くかつ溶融温度より低くなるように予備加熱する予備加熱処理と、
   前記予備加熱用レーザービームの照射軌跡を所定時間後に追跡するように前記本加熱用レーザービーム源から前記透過部を通して本加熱用レーザービームを照射し、前記部位を溶融温度よりも高くなるように加熱する本加熱処理と、
   を繰り返し実行して三次元造形物を形成する、
   ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
10. 前記制御部は、
    前記予備加熱処理で前記予備加熱用レーザービームを照射した部位が、前記原料粉末の焼結温度よりも低くなる前に、前記本加熱処理で前記本加熱用レーザービームを照射する、
    ことを特徴とする請求項９に記載した三次元造形物の製造方法。
11. 前記三次元造形装置は、さらに前記層形成部が形成した層全体を加熱する全体加熱手段を有し、
    前記制御部は、前記層形成処理の後であって前記予備加熱処理の前に、前記全体加熱手段により前記層を前記原料粉末の焼結温度より低い温度に加熱する全体加熱処理を実行する、
    ことを特徴とする請求項９または１０記載した三次元造形物の製造方法。
12. 前記層形成処理は、金属あるいは合金を主成分とする原料粉末の層を形成する処理である、
    ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載した三次元造形物の製造方法。
13. 前記層形成処理と前記予備加熱処理と前記本加熱処理は、減圧雰囲気において実行される、
    ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載した三次元造形物の製造方法。
14. 前記層形成処理と前記予備加熱処理と前記本加熱処理は、窒素分圧が酸素分圧よりも高くなるよう調整された雰囲気において実行される、
    ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載した三次元造形物の製造方法。
15. 前記予備加熱用レーザービームが前記層を照射する照射スポットの面積は、前記本加熱用レーザービームが前記層を照射する照射スポットの面積の０．８倍以上で１．０倍以下である、
    ことを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載した三次元造形物の製造方法。
16. 前記予備加熱用レーザービームのパワーは、前記本加熱用レーザービームのパワーの１．０倍以上で１．５倍以下である、
    ことを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１項に記載した三次元造形物の製造方法。

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