JP2019196523A - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

積層造形装置および積層造形方法 Download PDF

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Abstract

【課題】合金工具鋼の造形物を成形することができる積層造形装置および積層造形方法を提供する。【解決手段】積層造形装置１は、層状に配置された合金工具鋼からなる金属粉末Ｐを１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱する加熱装置５０，６０と、加熱装置５０，６０により加熱される範囲より狭い範囲に対して照射可能な光ビーム４０ａを用い、加熱装置５０，６０により１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱された金属粉末Ｐに光ビーム４０ａを照射することにより、金属粉末Ｐを溶融させて、造形物Ｗを成形する光ビーム照射装置４０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、積層造形装置および積層造形方法に関するものである。
特許文献１，２には、層状に配置された金属粉末に光ビームを照射することを繰り返すことにより、造形物を製造する積層造形方法が知られている。さらに、特許文献１，２には、光ビームの照射に加えて、他の加熱手段により金属粉末を加熱することが記載されている。
特開２０１８−３０８７号公報 特開２０１７−４３８０５号公報
ところで、積層造形方法による造形物は、製品設計における試作品製作において用いられることが多かったが、近年、製品製作にも用いられるようになってきた。また、製品製作のための鋳鍛造金型に、積層造形方法による造形物を用いることが検討されている。鋳鍛造金型には、合金工具鋼（ＪＩＳ Ｇ４４０４：２００６）が用いられることがある。ところが、合金工具鋼の材料を積層造形により成形すると、造形物にクラックが生成されやすい。そのため、合金工具鋼からなる造形物を積層造形により成形することは容易ではない。
本発明は、合金工具鋼の造形物を成形することができる積層造形装置および積層造形方法を提供することを目的とする。
本発明に係る積層造形装置は、層状に配置された合金工具鋼からなる金属粉末を１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱する加熱装置と、前記加熱装置により加熱される範囲より狭い範囲に対して照射可能な光ビームを用い、前記加熱装置により１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱された前記金属粉末に前記光ビームを照射することにより、前記金属粉末を溶融させて、造形物を成形する光ビーム照射装置とを備える。
本発明に係る積層造形方法は、層状に配置された合金工具鋼からなる金属粉末を１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱する加熱工程と、前記加熱工程にて加熱される範囲より狭い範囲に対して照射可能な光ビームを用い、前記加熱工程にて１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱された前記金属粉末に前記光ビームを照射することにより、前記金属粉末を溶融させて、造形物を成形する光ビーム照射工程とを備える。
本発明者らは、合金工具鋼においては、熱ひずみが大きいことが造形物にクラックが発生する原因であることを発見した。そこで、金属粉末を予め融点未満に加熱しておき、加熱された金属粉末に光ビームを照射することで金属粉末を溶融させている。そして、光ビームの照射範囲は、加熱装置（加熱工程）により加熱される範囲より狭い範囲とされている。従って、光ビームが照射された金属粉末の周囲は、加熱装置（加熱工程）により加熱されている。そのため、溶融後の金属粉末は、凝固するまでの温度の時間変化が小さくなり、熱ひずみ量が減少する。特に、加熱装置は、合金工具鋼からなる金属粉末を１５０℃以上かつ融点未満に加熱している。本発明者らは、合金工具鋼からなる金属粉末を対象とした場合に、１５０℃以上に加熱することで、造形物にクラックが発生することを抑制できることを発見した。
ここで、クラックに比べて微小なマイクロクラックが発生し、多数のマイクロクラックが繋がることによってクラックとなることが知られている。本発明者らは、マイクロクラックの数を把握することによって、クラックの発生に至るか否かを評価した。つまり、単位面積当たりのマイクロクラックの数を所定数以下とすることにより、造形物にクラックが発生することを抑制できると判断した。
積層造形装置を示す図である。 光ビームが照射される部位の周囲の拡大図である。 積層造形方法を示すフローチャートである。
（１．積層造形装置１の構成）
積層造形装置１の構成について図１を参照して説明する。積層造形装置１は、層状に配置された金属粉末Ｐに光ビームを照射することを繰り返すことによって、造形物Ｗを成形する装置である。ここで、光ビームは、例えばレーザビームおよび電子ビームを含み、その他に金属粉末Ｐを溶融することができる種々のビームを含む。また、レーザビームには、近赤外波長のレーザ、ＣＯ２レーザ（遠赤外レーザ）、半導体レーザ等、種々のレーザを適用でき、対象の金属粉末Ｐに応じて適宜決定される。
また、金属粉末Ｐは、合金工具鋼からなる。合金工具鋼には、ＪＩＳ Ｇ４４０４：２００６に規定されている材料、当該材料以外であって当該材料に近似する成分の材料を含む。合金工具鋼には、ＳＫＤ材、ＳＫＳ材、ＳＫＴ材等が含まれる。合金工具鋼は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒを含有する鋼材であって、種類に応じて、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｖ等を含有する。また、ＳＫＤ６１の炭素含有量は、０．３５％−０．４２％である。ＳＫＤ１１の炭素含有量は、１．４０％−１．６０％である。ＳＫＳ９３の炭素含有量は、１．００％−１．１０％である。また、合金工具鋼からなる金属粉末Ｐにより積層造形された造形物Ｗは、例えば、鋳鍛造金型に用いられる。ただし、造形物Ｗは、鋳鍛造金型に限られるものではなく、種々の用途に用いることができる。
積層造形装置１は、図１に示すように、チャンバ１０、造形物支持装置２０、粉末供給装置３０、光ビーム照射装置４０、第一加熱装置５０、第二加熱装置６０、および、温度検出器７０を備える。チャンバ１０は、内部の空気を、例えばＨｅ（ヘリウム）、Ｎ２（窒素）やＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスに置換可能となるように構成されている。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。
造形物支持装置２０は、チャンバ１０の内部に設けられ、造形物Ｗを造形するための支持部材により構成される。造形物支持装置２０は、支持部材として、造形用容器２１、昇降テーブル２２、および、ベース２３を備える。造形用容器２１は、上側に開口部を有し、上下方向の軸線に平行な内壁面を有する。昇降テーブル２２は、造形用容器２１の内部にて内壁面に沿うように上下方向に移動可能に設けられる。ベース２３は、昇降テーブル２２の上面に着脱可能に取り付けられ、ベース２３の上面が造形物Ｗを成形するための部位となる。つまり、ベース２３は、上面に層状に金属粉末Ｐを配置すると共に、成形時に造形物Ｗを支持するための部材である。
粉末供給装置３０は、チャンバ１０の内部であって、造形物支持装置２０に隣接して設けられる。粉末供給装置３０は、粉末収納容器３１、供給テーブル３２、リコータ３３を備える。粉末収納容器３１は、上側に開口部を有しており、粉末収納容器３１の開口部の高さは、造形用容器２１の開口部の高さと同一に設けられている。粉末収納容器３１は、上下方向の軸線に平行な内壁面を有する。供給テーブル３２は、粉末収納容器３１の内部にて内壁面に沿うように上下方向に移動可能に設けられる。そして、粉末収納容器３１内において、供給テーブル３２の上側領域に、金属粉末Ｐが収納されている。
リコータ３３は、造形用容器２１の開口部および粉末収納容器３１の開口部の全領域に亘って、両開口部の上面に沿って往復移動可能に設けられている。リコータ３３は、図１の右から左に移動するときに、粉末収納容器３１の開口部から盛り出ている金属粉末Ｐを、造形用容器２１側に運搬する。さらに、リコータ３３は、運搬した金属粉末Ｐをベース２３の上面にて層状に配置する。
光ビーム照射装置４０は、ベース２３の上面に層状に配置された金属粉末Ｐの表面に、光ビーム４０ａを照射する。光ビーム４０ａは、上述したように、レーザビームおよび電子ビーム等である。光ビーム照射装置４０は、層状に配置された金属粉末Ｐに光ビーム４０ａを照射することにより、金属粉末Ｐを金属粉末Ｐの融点以上の温度に加熱する。そうすると、金属粉末Ｐは、溶融し、その後凝固することで、一体化された層状の造形物Ｗが成形される。つまり、隣接する金属粉末Ｐ同士は、溶融接合によって一体化される。
また、光ビーム照射装置４０は、予め設定されたプログラムに従って、光ビーム４０ａの照射位置を移動すると共に、ビーム強度を変更することができる。光ビーム４０ａの照射位置を移動することにより、所望の層状の造形物Ｗを成形することができる。また、光ビーム４０ａのビーム強度を変化することにより、金属粉末Ｐの被照射部における投入エネルギー（被照射部に流入する入熱量）が変化し、金属粉末Ｐ同士の接合強度を変化させることができる。ここで、光ビーム４０ａは、後述する第一加熱装置５０および第二加熱装置６０により加熱される範囲よりも狭い範囲に対して照射可能である。
第一加熱装置５０は、チャンバ１０内において、ベース２３の上面に対向する位置に配置されている。第一加熱装置５０は、放射による加熱装置である。第一加熱装置５０は、例えば、赤外線ヒータなどを適用できる。第一加熱装置５０は、ベース２３の上に層状に配置された金属粉末Ｐの層表面を放射熱により直接加熱する。金属粉末Ｐの層表面とは、層状に配置された金属粉末Ｐにおける上面側に露出した面である。
第一加熱装置５０は、金属粉末Ｐの層表面を金属粉末Ｐの融点未満の温度で加熱し続けることができる。つまり、第一加熱装置５０は、光ビーム４０ａのように、金属粉末Ｐを溶融させることはない。さらに、第一加熱装置５０は、光ビーム照射装置４０と同様に、加熱範囲を水平方向に移動させることができる。
第一加熱装置５０による加熱範囲は、光ビーム４０ａの照射範囲より広い範囲に設定されており、光ビーム４０ａの照射範囲を一部に含む範囲に設定されている。つまり、第一加熱装置５０は、層表面の面方向および深さ方向において、光ビーム４０ａが照射されている範囲の周囲を加熱する。第一加熱装置５０は、光ビーム４０ａにより溶融される直前の金属粉末Ｐ、金属粉末Ｐが溶融された後に凝固するまでの造形物Ｗの部位、および、光ビーム４０ａの照射範囲の周囲であって光ビーム４０ａにより照射されずに金属粉末Ｐとして残存している部位を加熱する。
本実施形態においては、第一加熱装置５０による加熱範囲は、光ビーム４０ａの照射位置に対応して移動する。ただし、第一加熱装置５０は、層状に配置された金属粉末Ｐの層表面の全範囲に対して加熱するようにしてもよい。この場合、第一加熱装置５０は、光ビーム４０ａの照射位置に対応して移動する必要はない。
第二加熱装置６０は、支持部材としての昇降テーブル２２に内蔵される。第二加熱装置６０は、金属製の金型を加熱するためのヒータである。例えば、第二加熱装置６０は、コイルヒータ、カートリッジヒータ、ノズルヒータ、面状ヒータなど、種々のヒータを適用できる。つまり、第二加熱装置６０は、昇降テーブル２２を加熱し、昇降テーブル２２を介してベース２３全体を加熱する。そして、第二加熱装置６０は、さらにベース２３を介した伝熱により、ベース２３の上面に配置された金属粉末Ｐを加熱する。第二加熱装置６０は、ベース２３の上面に層状に配置された金属粉末Ｐを、金属粉末Ｐの融点未満の温度で加熱し続けることができる。つまり、第二加熱装置６０は、第一加熱装置５０と同様に、光ビーム４０ａのように、金属粉末Ｐを溶融させることはない。
さらに、ベース２３の上面に造形物Ｗの一部が成形された状態においては、第二加熱装置６０は、ベース２３および造形物Ｗの一部を介して、光ビーム４０ａが照射される前の状態の金属粉末Ｐを加熱する。つまり、第二加熱装置６０による加熱範囲は、光ビーム４０ａの照射範囲より広い範囲であり、第一加熱装置５０による加熱範囲より広い範囲であって、光ビーム４０ａの照射範囲および第一加熱装置５０による加熱範囲を一部に含む範囲に設定されている。第二加熱装置６０は、昇降テーブル２２に限られず、ベース２３に設けるようにしてもよいし、造形用容器２１に設けるようにしてもよい。
温度検出器７０は、チャンバ１０内において、ベース２３の上面に対向する位置に配置されている。温度検出器７０は、ベース２３の上に配置された金属粉末Ｐの温度を検出する。詳細には、温度検出器７０は、第一加熱装置５０により加熱される範囲の温度を検出する。温度検出器７０は、光ビーム照射装置４０および第一加熱装置５０と同様に、検出位置を水平方向に変化させることができる。温度検出器７０は、光ビーム４０ａを照射させる直前の金属粉末Ｐの温度を検出する。
（２．照射部位の周囲の状態）
次に、光ビーム４０ａが照射される部位の周囲の状態について、図２を参照して説明する。図２は、金属粉末Ｐが層状に配置された状態にて、光ビーム４０ａを図２の右から左に向かって移動させる場合を示している。従って、光ビーム４０ａが照射されて、金属粉末Ｐが溶融している。金属粉末Ｐの溶融範囲Ａｒ１は、図２に示すように、光ビーム４０ａの照射面、照射面の僅かに周囲の表面、および、これらの深さ方向の範囲を含む。深さ方向の範囲は、光ビーム４０ａの照射面の中心が最も深く、中心から遠ざかるほど浅くなっている。
光ビーム４０ａが照射される前の部位、すなわち光ビーム４０ａの進行方向の前方の部位においては、金属粉末Ｐは、粉末状態で存在している。一方、光ビーム４０ａが照射された後の部位、すなわち光ビーム４０ａの進行方向の後方の部位においては、溶融した金属粉末Ｐが冷却することで凝固していく。凝固した部位が、造形物Ｗの一部を構成する。また、光ビーム４０ａが照射されない部位は、金属粉末Ｐが粉末状態として残存し続ける。
また、第一加熱装置５０が、層状に配置された金属粉末Ｐの層表面を、金属粉末Ｐの層表面の上方から放射熱により直接加熱する。第一加熱装置５０による加熱範囲Ａｒ２は、図２の太実線で囲んだ範囲である。この加熱範囲Ａｒ２は、溶融範囲Ａｒ１をほぼ中心として、溶融範囲Ａｒ１の周囲に亘っている。つまり、加熱範囲Ａｒ２は、溶融範囲Ａｒ１より広範囲である。そして、第一加熱装置５０の放射熱が付与される範囲（放射範囲）は、光ビーム４０ａによる照射範囲より広い範囲である。
第一加熱装置５０は、加熱範囲Ａｒ２に含まれる金属粉末Ｐ、すなわち、光ビーム４０ａが照射される直前の金属粉末Ｐを加熱する。さらに、第一加熱装置５０は、加熱範囲Ａｒ２に含まれる溶融された金属粉末Ｐの部位であって、光ビーム４０ａが照射されていない部位を加熱する。つまり、第一加熱装置５０は、溶融直前の金属粉末Ｐおよび溶融直後の金属粉末Ｐの部位を加熱する。さらに、第一加熱装置５０は、光ビーム４０ａの照射範囲の周囲であって光ビーム４０ａにより照射されずに金属粉末Ｐとして残存している部位を加熱する。
さらに、第二加熱装置６０が、造形物支持装置２０を構成する支持部材２１，２２，２３を介した伝熱により、層状に配置された金属粉末Ｐを加熱する。さらに、第二加熱装置６０は、溶融される前の金属粉末Ｐのみならず、溶融されて凝固する前の金属粉末Ｐの部位、および、既に凝固された造形物Ｗの一部も加熱する。つまり、第二加熱装置６０は、造形物支持装置２０により支持される部材全てを加熱する。従って、第二加熱装置６０は、第一加熱装置５０により加熱される加熱範囲Ａｒ２を含む広範囲を加熱する。
このように、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０は、両者の協働によって、溶融範囲Ａｒ１より広範囲である加熱範囲Ａｒ２を加熱する。特に、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０は、加熱範囲Ａｒ２を、後述する所定温度範囲内（１５０℃以上２５０℃以下）となるように加熱する。従って、金属粉末Ｐは予め融点未満に加熱され、加熱された金属粉末Ｐに光ビーム４０ａが照射されることで、金属粉末Ｐが溶融する。さらに、金属粉末Ｐが溶融し、かつ、光ビーム４０ａが移動した後において、溶融されて凝固する前の金属粉末Ｐの部位が、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０によって融点未満に加熱されている。さらには、溶融された金属粉末Ｐの周囲についても、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０によって融点未満に加熱されている。そのため、溶融された後の金属粉末Ｐは、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０により加熱されない場合に比べて、溶融した後に凝固するまでの温度の時間変化が小さくなり、熱ひずみ量が減少する。
また、温度検出器７０は、第一加熱装置５０による加熱範囲Ａｒ２に含まれる金属粉末Ｐ、すなわち、光ビーム４０ａが照射される直前の金属粉末Ｐの温度を検出する。つまり、温度検出器７０は、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０の協働によって加熱されている加熱範囲Ａｒ２の温度を検出する。
（３．積層造形方法）
次に、積層造形装置１を用いた積層造形方法について、図３を参照して説明する。まず、粉末供給装置３０における供給テーブル３２を下方に位置決めした状態で、粉末収納容器３１内に金属粉末Ｐを収納させておく。
そして、第一加熱装置５０による加熱を開始し（Ｓ１：加熱工程）、第二加熱装置６０による加熱を開始する（Ｓ２：加熱工程）。第一加熱装置５０は、金属粉末Ｐがベース２３に供給されていない状態においては、ベース２３の上面を直接加熱することになる。第一加熱装置５０による加熱と第二加熱装置６０による加熱は、同じタイミングで開始してもよいし、異なるタイミングで開始してもよい。ベース２３の表面全体を加熱するためには、第二加熱装置６０による加熱を先に開始するとよい。
続いて、金属粉末Ｐを、ベース２３の上面に層状に配置させる（Ｓ３）。詳細には、以下のように行われる。供給テーブル３２を上昇させて、所望量の金属粉末Ｐが粉末収納容器３１の開口部から盛り出た状態とする。同時に、造形物支持装置２０において、ベース２３が昇降テーブル２２の上面に取り付けられ、ベース２３の上面が、造形用容器２１の開口部より僅かに下方に位置するように、昇降テーブル２２を位置決めする。さらに、リコータ３３を粉末供給装置３０側から造形物支持装置２０側に向かって移動させる。これにより、粉末供給装置３０内の金属粉末Ｐが、ベース２３の上面に移動し、ベース２３の上面において同一厚みの層状に配置される。
続いて、温度検出器７０によって、ベース２３の上に層状に配置された金属粉末Ｐの層表面の温度Ｔｅｍｐを検出する。具体的には、温度検出器７０は、当該層状に配置された金属粉末Ｐの層表面のうち、光ビーム４０ａの照射を開始する位置の温度を検出する。そして、ベース２３の上に層状に配置された金属粉末Ｐの層表面の温度Ｔｅｍｐが、所定値Ｔｅｔｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ４）。所定値Ｔｅｔｈは、１５０℃以上２５０℃以下に設定された温度である。本実施形態においては、所定値Ｔｅｔｈは、１５０℃に設定されている。当該条件を満たさない場合には（Ｓ４：Ｎｏ）、当該条件を満たすまで、判定を継続する。
層表面の温度Ｔｅｍｐが所定値Ｔｅｔｈ以上になると（Ｓ４：Ｙｅｓ）、光ビーム照射装置４０により光ビーム４０ａの照射を開始する（Ｓ５：光ビーム照射工程）。つまり、光ビーム４０ａは、所定のプログラムに基づいて走査される。そして、光ビーム照射装置４０は、金属粉末Ｐの融点以上の温度で金属粉末Ｐを加熱する。つまり、光ビーム４０ａが照射された金属粉末Ｐは、溶融し、その後に凝固される。このようにして、光ビーム４０ａが照射された位置は、強固な力によって一体化される。
このとき、第一加熱装置５０による加熱範囲Ａｒ２（図２に示す）は、光ビーム４０ａの照射位置の移動に伴って移動する。さらに、光ビーム４０ａによる照射の間、温度検出器７０は、光ビーム４０ａによる照射直前の金属粉末Ｐの温度を検出し続けている。
続いて、全層完了したか判断して（Ｓ６）、全層完了していなければ（Ｓ６：Ｎｏ）、上記Ｓ３乃至Ｓ５の処理を繰り返す。つまり、二層目以降に層状に配置された金属粉末Ｐに対しても同様に、光ビーム４０ａが照射される前に、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０によって加熱される。そして、加熱された金属粉末Ｐの層表面の温度Ｔｅｍｐが所定値Ｔｅｔｈ以上になった場合に、金属粉末Ｐに対して光ビーム４０ａが照射される。従って、どの層の金属粉末Ｐにおいても、金属粉末Ｐの層表面の温度Ｔｅｍｐが所定値Ｔｅｔｈ以上となった後に、光ビーム４０ａが照射されている。
そして、全層完了していれば（Ｓ６：Ｙｅｓ）、第一加熱装置５０による加熱を終了し（Ｓ７）、第二加熱装置６０による加熱を終了する（Ｓ８）。そうすると、ベース２３の上面に、造形物Ｗが完成する。その後、完成した造形物Ｗをベース２３から取り外す。
なお、上記積層造形方法において、第一加熱装置５０による加熱および第二加熱装置６０による加熱は、一層目の金属粉末Ｐが供給される前に開始したが、一層目の金属粉末Ｐが供給された後に開始してもよい。
（４．クラックおよびマイクロクラックの評価実験）
次に、上記積層造形方法を適用して、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０による加熱温度を変化させて造形物Ｗを成形した場合に、造形物Ｗに発生したクラックおよびマイクロクラックについて評価する実験を行った。
クラックに比べて微小なマイクロクラックが発生し、多数のマイクロクラックが繋がることによってクラックとなることが知られている。そこで、マイクロクラックの数を把握することによって、クラックの発生に至るか否かを評価することとした。つまり、単位面積当たりのマイクロクラックの数を所定数以下とすることにより、造形物Ｗにクラックが発生することを抑制できると考えた。そこで、以下の通り評価を行った。
温度検出器７０による検出温度Ｔｅｍｐは、１００℃、１５０℃、２５０℃のそれぞれとした。温度検出器７０による検出温度Ｔｅｍｐが１５０℃の場合とは、光ビーム４０ａにより照射される直前の金属粉末Ｐの温度が１５０℃であることを意味する。金属粉末Ｐは、ＳＫＤ６１とした。造形物Ｗは、例えば直方体とした。
クラックは、目視できる程度の亀裂であり、概ね５ｍｍ以上の長さに亘る亀裂と定義した。マイクロクラックは、目視できない亀裂であり、１ｍｍ以下の微小な亀裂と定義した。そして、クラックの有無を評価し、さらにクラックが無い場合には、単位面積当たりのマイクロクラックの個数を評価した。マイクロクラックの評価は、造形物Ｗの高さ方向の中央で切断した面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影し、撮影されたＳＥＭ写真における所定範囲を抽出し、抽出した所定範囲におけるマイクロクラックの個数を数え、単位面積当たりの個数を算出した。なお、クラックは多数のマイクロクラックが繋がることにより発生することから、クラックが有る場合には、マイクロクラックの評価を行わなかった。
Figure 2019196523
評価結果は、表１に示すとおりである。温度検出器７０による検出温度Ｔｅｍｐを１００℃にすると、造形物Ｗにはクラックが発生した。一方、温度検出器７０による検出温度Ｔｅｍｐを１５０℃および２５０℃とした場合には、クラックは発生しなかった。単位面積当たりのマイクロクラックの個数は、１５０℃の場合に５個であり、２５０℃の場合に１個であった。
このように、金属粉末Ｐの層表面の温度を１５０℃以上とすることで、クラックの発生を抑制できることが分かる。さらに、金属粉末Ｐの層表面の温度を１５０℃より高くするほど、マイクロクラックの個数は減少する。特に、金属粉末Ｐの層表面の温度を２５０℃にすることで、マイクロクラックの個数は１個となり、クラックの発生に至ることは極めて少なくすることができる。
上記実験結果より、炭素含有量が多いＳＫＤ材においては、熱ひずみが大きいことが造形物Ｗにクラックが発生する原因であると考え、光ビーム４０ａを照射する範囲より広範囲の金属粉末Ｐを予め１５０℃以上に加熱しておき、加熱された金属粉末Ｐに光ビーム４０ａを照射することで金属粉末Ｐを溶融させることとした。つまり、光ビーム４０ａにより溶融された金属粉末Ｐの周囲が、１５０℃以上に加熱された状態となっている。これにより、予め加熱しない場合と比べて、溶融された金属粉末Ｐは、凝固するまでの温度の時間変化が小さくなり、熱ひずみ量が減少したと考えられる。特に、ＳＫＤ材からなる金属粉末Ｐを対象とした場合に、溶融直前の金属粉末Ｐを１５０℃以上に加熱することで、造形物Ｗにクラックが発生することを抑制できることを確認できた。
特に、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０は、光ビーム４０ａの照射により金属粉末Ｐが溶融された後に、光ビーム４０ａが照射されていない部位であって溶融された金属粉末Ｐの部位を１５０℃以上に加熱している。これにより、照射された金属粉末Ｐが溶融された後に、凝固するまでの温度の時間変化が小さくなり、熱ひずみ量が減少したと考えられる。ＳＫＤ材からなる金属粉末Ｐを対象とした場合に、溶融直後の金属粉末Ｐの部位を１５０℃以上に加熱することで、造形物Ｗにクラックが発生することを抑制できることを確認できた。
また、溶融直前の金属粉末Ｐの温度および溶融直後の金属粉末Ｐの部位の温度を２５０℃とした場合に、十分な効果が得られたことが分かった。このことから、当該温度を２５０℃より高温にしたとしても、クラックの発生に繋がる原因の減少効果は、大きく変化することはないと考えられる。そこで、当該温度を２５０℃以下にすることが理想であると考えられる。仮に、当該温度を２５０℃より高温にすると、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０が高コストとなる。さらには、造形物支持装置２０を構成する支持部材の耐熱性能をより高くすることなどによって、高コストの原因となる。
そこで、図３のＳ５において、検出温度Ｔｅｍｐが、所定値Ｔｅｔｈとして１５０℃以上となったか否かを判定すればよい。つまり、光ビーム照射装置４０は、図３によれば、温度検出器７０の検出結果に基づいて、金属粉末Ｐの層表面が１５０℃以上かつ２５０℃以下の温度に加熱された金属粉末Ｐに光ビーム４０ａを照射する。
さらに、第一加熱装置５０および第二加熱装置６０は、温度検出器７０の検出温度Ｔｅｍｐが２５０℃以下となるように制御されるとよい。つまり、図３のＳ５においては、検出温度Ｔｅｍｐが、所定値Ｔｅｔｈとして１５０℃以上であり、上限値Ｔｅｍａｘとして２５０℃以下となる場合に、光ビーム照射装置４０が光ビーム４０ａを照射することになる。
また、積層造形装置１は、加熱装置として、第一加熱装置５０と第二加熱装置６０とを備えている。第一加熱装置５０が、金属粉末Ｐの層表面を放射熱により直接加熱する。第二加熱装置６０が、ベース２３およびベース２３の上に成形された造形物Ｗを介した伝熱により、ベース２３の上面に配置された金属粉末Ｐおよび造形物Ｗを広範囲に加熱する。ここで、造形物Ｗの高さ（金属粉末Ｐの積層高さ）が高くなるにつれて、金属粉末Ｐの層表面とベース２３との距離が大きくなる。そのため、第二加熱装置６０からの伝熱が金属粉末Ｐの層表面に伝わりにくくなり、金属粉末Ｐの層表面における温度にムラが生じるおそれがある。しかし、第一加熱装置５０が金属粉末Ｐの層表面を放熱により直接加熱するため、造形物Ｗの高さ（金属粉末Ｐの積層高さ）に影響されず安定して金属粉末Ｐの層表面を加熱できる。
また、上記のように、第一加熱装置５０が狭範囲の加熱を行うと共に、第二加熱装置６０が広範囲の加熱を行っている。これにより、熱効率を向上することができる。第二加熱装置６０が金属粉末Ｐおよび造形物Ｗを例えば１００℃程度に加熱し、第一加熱装置５０が局所的な加熱範囲Ａｒ２のみを１５０℃以上に加熱することができる。第二加熱装置６０が加熱できる範囲全てを１５０℃以上にする必要はない。一方、光ビーム４０ａが照射される直前において、加熱範囲Ａｒ２を１５０℃以上に加熱する必要がある。第一加熱装置５０および第二加熱装置６０を用いることにより、上記を実現できる。
特に、第一加熱装置５０が、光ビーム照射装置４０による光ビーム４０ａの照射位置に対応して移動可能とされている。これにより、第一加熱装置５０が、狭範囲の加熱を行うようにできる。従って、上記をより効果的に実現できる。
１：積層造形装置、 ２０：造形物支持装置、 ２１：造形用容器（支持部材）、 ２２：昇降テーブル（支持部材）、 ２３：ベース（支持部材）、 ４０：光ビーム照射装置、 ４０ａ：光ビーム、 ５０：第一加熱装置、 ６０：第二加熱装置、 ７０：温度検出器、 Ａｒ１：溶融範囲、 Ａｒ２：加熱範囲、 Ｐ：金属粉末、 Ｔｅｍｐ：検出温度、 Ｔｅｔｈ：所定値、 Ｗ：造形物

Claims (8)

  1. 層状に配置された合金工具鋼からなる金属粉末を１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱する加熱装置と、
    前記加熱装置により加熱される範囲より狭い範囲に対して照射可能な光ビームを用い、前記加熱装置により１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱された前記金属粉末に前記光ビームを照射することにより、前記金属粉末を溶融させて、造形物を成形する光ビーム照射装置と、
    を備える、積層造形装置。
  2. 前記加熱装置は、層状に配置された前記金属粉末における層表面が１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱する、請求項１に記載の積層造形装置。
  3. 前記積層造形装置は、さらに、層状に配置された前記金属粉末における層表面の温度を検出する温度検出器を備え、
    前記光ビーム照射装置は、前記温度検出器の検出結果に基づいて前記金属粉末の層表面が１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱された場合に、前記光ビームを照射する、請求項２に記載の積層造形装置。
  4. 前記加熱装置は、前記光ビームの照射により前記金属粉末が溶融された後に、前記光ビームが照射されていない部位であって溶融された前記金属粉末の部位を１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱する、請求項１−３の何れか一項に記載の積層造形装置。
  5. 前記加熱装置は、層状に配置された前記金属粉末における層表面を直接加熱する第一加熱装置を備える、請求項１−４の何れか一項に記載の積層造形装置。
  6. 前記積層造形装置は、さらに、層状に配置された前記金属粉末を支持する支持部材を備え、
    前記加熱装置は、さらに、前記支持部材に内蔵され、前記支持部材を加熱することにより、前記支持部材を介して層状に配置された前記金属粉末を加熱する第二加熱装置を備え、
    前記第一加熱装置は、前記光ビーム照射装置による前記光ビームの照射位置に対応して移動可能である、請求項５に記載の積層造形装置。
  7. 前記加熱装置は、前記金属粉末を１５０℃以上かつ２５０℃以下に加熱する、請求項１−６の何れか一項に記載の積層造形装置。
  8. 層状に配置された合金工具鋼からなる金属粉末を１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱する加熱工程と、
    前記加熱工程にて加熱される範囲より狭い範囲に対して照射可能な光ビームを用い、前記加熱工程にて１５０℃以上かつ融点未満の温度に加熱された前記金属粉末に光ビームを照射することにより、前記金属粉末を溶融させて、造形物を成形する光ビーム照射工程と、
    を備える、積層造形方法。
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