JP2019210490A - 積層造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】意図しないマルテンサイト変態の進行を抑制する積層造形装置、積層造形物の製造方法の提供。【解決手段】三次元造形物を複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、材料層の照射領域に第１ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第１照射装置と、固化層の少なくとも一部の温度を所定の第１温度または第２温度に調整する温度調整装置とを備え、固化層の少なくとも一部は第１温度となった後第２温度となり、第１温度をＴ１、第２温度をＴ２、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、変態終了温度をＭｆ、三次元造形物が造形後曝される最低温度をＴｍとすると、下記式、Ｔ１≧Ｍｆ（１）Ｔ１＞Ｔ２（２）Ｔ２≦Ｍｓ（３）Ｔ１≧Ｍｓ（４）Ｔ２＞Ｍｆ（５）Ｔ２≦Ｔｍ（６）または下記式、Ｔ１≧Ｍｆ（１）Ｔ１＞Ｔ２（２）Ｔ２≦Ｍｓ（３）Ｔ１≦Ｍｓ（７）Ｔ２＞Ｍｆ（５）Ｔ２≦Ｔｍ（６）が全て満たされる積層造形装置。【選択図】図１３

Description

この発明は、積層造形装置および積層造形物の製造方法に関する。

本出願人は、金属の積層造形において、１層または複数層の固化層を形成する毎に意図的にマルテンサイト変態を進行させることで、金属の収縮による引張応力をマルテンサイト変態による圧縮応力で軽減して造形物の残留応力を制御することにより、造形物の変形を抑制可能な積層造形装置および積層造形物の製造方法に係る発明を提案した。具体的には、所定の温度である第１温度をＴ１、所定の温度である第２温度をＴ２、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆとすると、Ｔ１≧Ｍｆ、Ｔ１＞Ｔ２およびＴ２≦Ｍｓの関係式が全て満たされる温度条件で、１層または複数層の固化層を形成する毎に、第１温度まで加熱された固化層を第２温度まで冷却して、マルテンサイト変態を含む変態を進行させる。

特許第６２９５００１号公報

マルテンサイト変態が起こる温度範囲、すなわちマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下かつマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以上の温度範囲に、第２温度が含まれる場合においては、造形完了後に、造形物の温度が第２温度未満となった際に、マルテンサイト変態がさらに進行してしまい、意図しない膨張が発生する可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形完了後に意図しないマルテンサイト変態が進行することを防止した上で、造形物の残留応力を制御する、積層造形装置および積層造形物の製造方法を提供することを主たる目的とするものである。

本発明によれば、造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、所定の分割層における材料層の所定の照射領域に第１ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第１照射装置と、固化層の少なくとも一部の温度を所定の温度である第１温度または所定の温度である第２温度の少なくとも一方に調整する温度調整装置と、を備え、固化層の少なくとも一部は、第１温度となった後、第２温度となり、第１温度をＴ１、第２温度をＴ２、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、三次元造形物が造形後曝される最低温度をＴｍ、とすると、
下記式の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≧Ｍｓ （４）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
または下記式の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≦Ｍｓ （７）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
積層造形装置が提供される。

また、本発明によれば、造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成工程と、所定の分割層における材料層の所定の照射領域に第１ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、固化層の少なくとも一部を所定の温度である第１温度にする第１温調工程と、第１温度となった固化層の少なくとも一部を所定の温度である第２温度にする第２温調工程と、を備え、第１温度をＴ１、第２温度をＴ２、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、三次元造形物が造形後曝される最低温度をＴｍ、とすると、
下記式の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≧Ｍｓ （４）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
または下記式の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≦Ｍｓ （７）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
積層造形物の製造方法が提供される。

本発明に係る積層造形装置および積層造形物の製造方法においては、三次元造形物が造形後曝される最低温度以下に第２温度を設定する。これにより、造形後に三次元造形物の温度が第２温度を下回ることがないため、意図しないマルテンサイト変態の進行を抑制でき、結果として三次元造形物の品質が安定する。

第１の実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。 第１の実施形態に係る照射ユニットの概略構成図である。 第１の温度調整装置の概略構成図である。 第２の温度調整装置の概略構成図である。 第１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。 第１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。 第１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。 第２の実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。 第２の実施形態に係る照射ユニットの概略構成図である。 第２の実施形態に係る積層造形装置における照射領域を示す説明図である。 第２の実施形態に係る積層造形装置における第１ビームおよび第２ビームの走査方法を示す説明図である。 第２の実施形態に係る積層造形装置における走査経路に所定部位Ｐを含む第１ビームおよび第２ビームの走査を示す説明図である。 温度調整パターンαにおける温度変化の概略図である。 温度調整パターンβにおける温度変化の概略図である。

まず、本発明に係る積層造形装置の構成を説明する。以下に第１の実施形態および第２の実施形態として具体的に示した積層造形装置以外であっても、金属材料からなる材料層を形成し、この材料層の所定箇所にレーザ光または電子ビーム等のビームを照射して照射位置の材料層を焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の焼結層または溶融層を積層して所望の三次元造形物を造形する積層造形装置であれば本発明は適用可能である。なお、以下においては焼結および溶融を含めて固化と呼び、焼結層および溶融層を含めて固化層と呼ぶ。また、積層造形の方法としては、粉末焼結積層造形方式、粉末溶融積層造形方式、電子ビーム焼結方式、電子ビーム溶融方式、シート積層方式等多種の方法が知られているが、本発明が適用可能であればいずれの方式であってもよい。

［第１の実施形態］
以下、図面を用いて本発明の第１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。

第１の実施形態に係る積層造形装置は、材料粉体からなる材料層６３を形成し、この材料層６３の所定箇所に第１ビームＬ１を照射して照射位置の材料粉体を焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の固化層６５を積層して所望の三次元造形物を造形する積層造形装置である。図１に示すように、本発明の積層造形装置は、チャンバ１と、材料層形成装置２と、照射ユニット３Ａと、切削装置４とを有する。

所要の造形領域ＲＭを覆うチャンバ１には、清浄な不活性ガスが供給されるとともに、材料層６３の焼結または溶融時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスが排出され、所定濃度の不活性ガスが充満される。不活性ガスとは使用する材料と実質的に反応しないガスをいい、例えば窒素またはアルゴンである。

図１に示すように、チャンバ１には、造形領域ＲＭに対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層６３を形成する材料層形成装置２が設けられる。材料層形成装置２は、造形領域ＲＭを有するベース台２１と、ベース台２１上に配置され水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に往復移動するリコータヘッド２３とを含む。リコータヘッド２３の両側面にそれぞれブレードが設けられる。リコータヘッド２３は、内部に収容した材料粉体を底面から排出しながら往復移動し、ブレードは排出された材料粉体を平坦化して材料層６３を形成する。造形領域ＲＭには、造形テーブル駆動機構２７により、上下方向（矢印Ｕ方向）に移動可能な造形テーブル２５が設けられる。積層造形装置の使用時には、通常は造形テーブル２５上に造形プレート６１が配置され、その上に１層目の材料層６３ａが形成される。造形テーブル２５の周りには、粉体保持壁２９が設けられる。粉体保持壁２９と造形テーブル２５とによって囲まれる粉体保持空間には、未固化の材料粉体が保持される。なお、造形領域ＲＭは積層造形物が形成可能な領域であり、造形領域ＲＭに材料層６３が形成される。また、照射領域ＲＩは、造形領域ＲＭ内に存在する固化層６５が形成される領域であり、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。

照射ユニット３Ａが、チャンバ１の上方に設けられる。第１の実施形態に係る照射ユニット３Ａは、材料層６３の所定の照射領域ＲＩに第１ビームＬ１を照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第１照射装置３１と、第１ビームＬ１を走査する走査手段３４とを含む。

第１照射装置３１は、図２に示すように、第１光源３１１と、第１コリメータ３１３と、第１フォーカス制御ユニット３１５と、を有する。第１光源３１１は第１ビームＬ１を出力する。ここで、第１ビームＬ１は、材料層６３を焼結または溶融可能なレーザ光であって、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、またはＹＡＧレーザである。第１コリメータ３１３は、第１光源３１１より出力された第１ビームＬ１を平行光に変換する。第１フォーカス制御ユニット３１５は、第１光源３１１より出力された第１ビームＬ１を集光し所望のスポット径に調整する。

走査手段３４は例えばガルバノスキャナであり、ガルバノスキャナは、一対のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙと、各ガルバノミラー３４ｘ，３４ｙをそれぞれ回転させるアクチュエータを備えている。２軸のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙは、第１光源３１１より出力された第１ビームＬ１を制御可能に２次元走査する。ガルバノミラー３４ｘ，３４ｙ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３４ｘ，３４ｙ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、所望の位置に第１ビームＬ１を照射することができる。

ガルバノミラー３４ｘ，３４ｙを通過した第１ビームＬ１は、チャンバ１の上部に設けられた保護ウインドウ１１を透過して造形領域ＲＭに形成された材料層６３に照射される。また、保護ウインドウ１１を覆うように汚染防止装置１３が設けられる。汚染防止装置１３は、供給された不活性ガスを保護ウインドウ１１下に充満させ、また不活性ガスを下方に向かって噴出させるように構成されている。こうして、第１ビームＬ１の経路からヒュームを排除するとともに、ヒュームによる保護ウインドウ１１の汚染を防止する。

切削装置４は、スピンドルヘッド４３が設けられた加工ヘッド４１を有する。スピンドルヘッド４３は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。加工ヘッド４１は、不図示の加工ヘッド駆動機構により、スピンドルヘッド４３をチャンバ１内の所望の位置に移動させる。このような切削装置４は、固化層６５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。

ここで、第１の実施形態に係る積層造形装置は、固化層の少なくとも一部の温度を所定の温度である第１温度Ｔ１または所定の温度である第２温度Ｔ２の少なくとも一方に調整する温度調整装置を備える。なお、以下においては、温度調整の対象となる固化層、すなわち形成されてから、第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２の順で行われる温度調整が１度も完了していない固化層を上面層と呼ぶ。なお、温度調整は温度調整装置による能動的な温度操作に限定されない。例えば、材料の組成によっては、周辺雰囲気の温度が第１温度Ｔ１または第２温度Ｔ２として適当な温度となりうることもありうる。この場合は、温度調整装置は、第１温度Ｔ１または第２温度Ｔ２の一方のみに調整するものであってもよい。第１の実施形態に係る温度調整装置は、上面層の少なくとも一部の温度を第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２の順番で調整する。好ましくは、第１の実施形態に係る温度調整装置は、上面層の少なくとも一部の温度を第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、第１温度Ｔ１の順番で調整する。なお、第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、固化層６５のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓおよび固化層６５のマルテンサイト変態終了温度Ｍｆにおいては、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
焼結または溶融後、温度調整される前の上面層は、オーステナイト相を含む状態であって、温度調整により少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。

温度調整装置は、上面層を第１温度Ｔ１または第２温度Ｔ２の少なくとも一方に温度調整可能に構成されていればよい。特に、温度調整装置は上面層を第１温度Ｔ１に調整する加熱器と、上面層を第２温度Ｔ２に調整する冷却器のうち少なくともいずれか一方を有し、好ましくは両者を有する。下記に、温度調整装置の具体例として、第１の温度調整装置５１および第２の温度調整装置５２を示す。

第１の温度調整装置５１は、造形テーブル２５の内部に設けられた加熱器５１ａおよび冷却器５１ｂを有する。加熱器５１ａは、例えば、電熱器または熱媒体が流通される管路である。冷却器５１ｂは、例えば、熱媒体が流通される管路である。熱媒体としては、水、油、液体窒素等種々の流体が使用可能である。具体的な構成例として、図３に示すように、造形テーブル２５は、天板２５ａおよび３つの支持板２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを備え、天板２５ａと支持板２５ｂとの間に加熱器５１ａが、支持板２５ｃと支持板２５ｄとの間に冷却器５１ｂが設けられる。造形テーブル２５は、加熱器５１ａおよび冷却器５１ｂによって第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２を含む任意の温度に温度調整可能である。なお、造形テーブル駆動機構２７の熱変位を防止するため、第１の温度調整装置５１と造形テーブル駆動機構２７との間に一定の温度に保たれた恒温部が設けられてもよい。以上のように第１の温度調整装置５１を構成することで、所望の温度に設定された造形テーブル２５の天板５１ｃと接触する造形プレート６１および下層の固化層６５を介して、上面層を所望の温度に調整することが可能である。

なお、材料層６３は焼結または溶融にあたり所定温度に予熱されていることが望ましいが、第１の温度調整装置５１は材料層６３の予熱装置としての役割も果たす。例えば、第１温度Ｔ１が予熱温度として適当である場合、好ましくは、材料層６３は第１の温度調整装置５１によって第１温度Ｔ１に予熱される。

図４に示す第２の温度調整装置５２は、上面層をその上方側から第１温度Ｔ１に調整する加熱器５２ａと、上面層をその上方側から第２温度Ｔ２に調整する冷却器５２ｂを有する。加熱器５２ａは、例えば、ハロゲンランプ等の光加熱器である。冷却器５２ｂは、例えば、上面層に対しチャンバ１に充満される不活性ガス等と同種の冷却気体を吹き付ける送風機、またはペルチェ素子等によって冷却された冷却板を上面層に接触させる冷却機構である。このような第２の温度調整装置５２によれば、直接上面層を温度調整することができるため、多数層の固化層６５を形成した後でも迅速に上面層の温度調整を行うことができる。

前述の通り、温度調整装置は、上面層を第１温度または第２温度の少なくとも一方に温度調整可能に構成されればよく、種々の形態を採用可能である。例えば、温度調整装置として、第１の温度調整装置５１および第２の温度調整装置５２のうち、一方または両方が設けられてもよい。例えば、温度調整装置は、第１の温度調整装置５１の加熱器５１ａおよび冷却器５１ｂならびに第２の温度調整装置５２の加熱器５２ａおよび冷却器５２ｂを任意の組み合わせで有してよい。温度調整装置は、その他の形態であってもよい。

また、図１に示すように、積層造形装置は、上面層の温度を測定する温度センサ５５を有し、温度調整装置はフィードバック制御されてもよい。かかる構成により、より正確に上面層の温度を制御することができる。なお、温度センサ５５は、複数設けてもよい。また、温度センサ５５は、例えば、赤外線温度センサである。

ここで、第１の実施形態に係る積層造形物の製造方法における各工程について図５から図７を用いて説明する。以下において、造形領域ＲＭに対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層６３を形成する工程を材料層形成工程、材料層６３の所定の照射領域ＲＩに第１ビームＬ１を照射して焼結または溶融させ固化層６５を形成する工程を固化工程、上面層の少なくとも一部を所定の温度である第１温度Ｔ１にする工程を第１温調工程、第１温度Ｔ１となった上面層の少なくとも一部を所定の温度である第２温度Ｔ２にする工程を第２温調工程と呼ぶ。なお、前述の通り、第１温調工程および第２温調工程における温度調整は、温度調整装置による能動的な温度操作に限定されない。

前述の通り、材料層６３は固化にあたり所定温度に予熱されていることが望ましい。以下において、第１ビームＬ１が照射される前の材料層６３を予熱する工程を予熱工程と呼ぶ。予熱温度は材料の種類に応じて適切な温度に設定されるが、第１温度Ｔ１が予熱温度として適当である場合、予熱温度は第１温度Ｔ１であってもよい。この場合、予め予熱工程により材料層６３が第１温度Ｔ１となっているので、第１温調工程において第１温度Ｔ１まで昇温する時間を短縮できる。

まず、１回目の材料層形成工程を行う。図５に示すように、造形テーブル２５上に造形プレート６１を載置し、造形テーブル２５の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料粉体が充填されているリコータヘッド２３を矢印Ｂ方向に移動させることによって、造形プレート６１上に１層目の材料層６３ａを形成する。また、１回目の予熱工程は、材料層形成工程の後または平行して行われる。例えば、第１の温度調整装置５１によって、造形テーブル２５を所定の予熱温度、ここでは第１温度Ｔ１に温度調整することで、１層目の材料層６３ａの予熱が行われる。

次に、１回目の固化工程を行う。１層目の材料層６３ａ中の所定部位に第１ビームＬ１を照射し１層目の材料層６３ａのレーザ照射位置を焼結または溶融させることによって、図６に示すように、１層目の固化層６５ａを得る。

続いて、２回目の材料層形成工程を行う。造形テーブル２５の高さを材料層６３の所定厚分下げ、リコータヘッド２３を矢印Ｂ方向に移動させることによって、１層目の固化層６５ａ上に２層目の材料層６３ｂを形成する。また、予熱工程が行われ、２層目の材料層６３ｂの予熱が行われる。

次に、２回目の固化工程を行う。２層目の材料層６３ｂ中の所定部位に第１ビームＬ１を照射し２層目の材料層６３ｂのレーザ照射位置を焼結または溶融させることによって、図７に示すように、２層目の固化層６５ｂを得る。

以上の工程を繰り返すことによって、３層目以降の固化層６５が形成される。

第１温調工程は、好ましくは上記の工程と平行して行われる。第１の実施形態では、予熱温度が第１温度Ｔ１であるので、固化工程によって形成された固化層６５、すなわち上面層は、温度調整装置によって第１温度Ｔ１に温度調整され、そのまま第１温度Ｔ１に維持される。換言すれば、材料層６３に対する予熱工程と上面層に対する第１温調工程が兼ねて行われる。

所定数の固化層６５が形成された段階で、第２温調工程が行われる。温度調整装置は、第１温度Ｔ１に保持されている上面層を、第２温度Ｔ２へと温度調整する。第２温調工程後は次の予熱工程に備えて、温度調整装置は上面層を予熱温度、ここでは第１温度Ｔ１に温度調整する。

なお、第１の実施形態のように切削装置４を備える積層造形装置においては、所定数の固化層６５を形成する度に、固化層６５の端面に対して、スピンドルヘッド４３に装着された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。好ましくは、第２温調工程後の上面層に対して切削加工が実施される。このようにすれば、マルテンサイト変態を起こし寸法が安定した後の上面層に対して切削を行うことができるので、より高精度に切削を行うことができる。さらに好ましくは、第２温調工程後であって常温に温度調整された上面層に対して切削加工が実施される。このようにすれば、温度による膨張または収縮の影響を抑えて上面層に対して切削を行うことができるので、より高精度に切削を行うことができる。また、焼結または溶融時に発生したスパッタが固化層６５の表面に付着し突起部が生成されることがあるが、材料層形成工程時にリコータヘッド２３のブレードが突起部に衝突したときは、突起部を除去するために最上位の固化層６５の上面に対して切削加工を行ってもよい。

このような材料層形成工程、予熱工程、固化工程、第１温調工程、第２温調工程および切削工程が必要に応じて繰り返し実施され、所望の三次元造形物が形成される。なお、第１温調工程および第２温調工程は固化層６５を１層形成する毎に行われてもよいし、複数層形成する毎に行われてもよいし、切削工程の実施に応じてその直前に行われてもよい。前述の通り、第１温調工程は他の工程と平行して行われてもよい。また、第１温調工程および第２温調工程の実施周期は、例えば造形物の形状に応じて、可変に設定してもよい。

［第２の実施形態］
次に、図面を用いて本発明の第２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。なお、図８に示すように、第１の実施形態と実質的に同等である構成部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。具体的に、チャンバ１と、材料層形成装置２と、切削装置４は、第１の実施形態と同等である。

照射ユニット３Ｂが、チャンバ１の上方に設けられる。図９に示すように、第２の実施形態に係る照射ユニット３Ｂは、材料層８の所定の照射領域ＲＩに第１ビームＬ１を照射して焼結または溶融させ固化層６５を形成する第１照射装置３１と、第１ビームＬ１によって形成された固化層６５に第２ビームＬ２を照射して所定の温度である第１温度Ｔ１に調整する第２照射装置３２と、偏光手段３３と、第１ビームＬ１および第２ビームＬ２を走査する走査手段３４とを含む。第１照射装置３１は、第１光源３１１と、第１コリメータ３１３と、第１フォーカス制御ユニット３１５と、を有する。また、第２照射装置３２は、第２光源３２１と、第２コリメータ３２３と、を有する。なお、必要に応じて他の部材を設けてもよく、例えば、第２照射装置３２は、第２光源３２１より出力された第２ビームＬ２を所望の照射スポット径に調整する第２フォーカス制御ユニットをさらに備えてもよい。

第１光源３１１は第１ビームＬ１を出力する。ここで、第１ビームＬ１は、材料層６３を焼結または溶融可能なレーザ光であって、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。第１コリメータ３１３は、第１光源３１１より出力された第１ビームＬ１を平行光に変換する。第１フォーカス制御ユニット３１５は、第１光源３１１より出力された第１ビームＬ１を集光し所望のスポット径に調整する。その後、第１ビームＬ１は偏光手段３３に到達し、偏光された第１ビームＬ１、ここでは反射光が走査手段３４の２軸のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙへ進行する。

第２光源３２１は第２ビームＬ２を出力する。ここで、第２ビームＬ２は、固化層６５、特に上面層を第１温度Ｔ１に調整可能なレーザ光であって、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。第２コリメータ３２３は、第２光源３２１より出力された第２ビームＬ２を平行光に変換する。第２ビームＬ２は偏光手段３３に到達し、その透過光が走査手段３４の２軸のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙへ進行する。

以上のような構成により、第２ビームＬ２は上面層を第１温度Ｔ１に調整する。換言すれば、第２実施形態における第３の温度調整装置は、第１ビームＬ１によって形成された上面層に第２ビームＬ２を照射して第１温度Ｔ１まで調整する第２照射装置３２を含む。好ましくは、上面層を第２温度Ｔ２に調整する第４の温度調整装置が設けられる。第４の温度調整装置は、例えば、造形テーブル２５内に設けられ上面層を第２温度Ｔ２に調整可能な冷却器を含む。冷却器は、例えば、熱媒体が流通される管路である。

また、第２実施形態においては、第２ビームＬ２は第１ビームＬ１が照射される前の材料層６３を予熱することにも使用される。第２ビームＬ２を予熱に使用する場合、その他の予熱手段は必須ではない。例えば、造形テーブル２５に予熱のための加熱器を設けなくてもよい。

好ましくは、第２ビームＬ２の照射スポットは、第１ビームＬ１の照射スポットよりも大きく、第１ビームＬ１の照射スポットを囲繞するように構成される。なお、照射スポットとは照射位置、換言すれば材料層８または固化層６５における第１ビームＬ１および第２ビームＬ２の形状を意味する。第１ビームＬ１および第２ビームＬ２の照射スポットが略円形である場合、第１ビームＬ１の照射位置における照射スポットの径をｄ１、第２ビームＬ２の照射スポットの径をｄ２とすると、ｄ２／ｄ１は、例えば、１０≦ｄ２／ｄ１≦１０００である。このような第２ビームＬ２により、第１ビームＬ１が照射される前の材料層６３の予熱と、第１ビームＬ１が照射され固化した固化層６５、すなわち上面層の第１温度Ｔ１への調整を好適に行うことができる。

偏光手段３３は、第１ビームＬ１または第２ビームＬ２のうち一方を透過させ、他方を一方と同じ光路に偏光させる。偏光手段３３は例えばビームスプリッタ等のフィルタである。上述の通り、本実施形態においては、偏光手段３３によって偏光した第１ビームＬ１と、偏光手段３３を透過した第２ビームＬ２が同軸光となって２軸のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙへ進行するように構成される。このように構成することで、１つの走査手段３４によって中心位置を略一致させて第１ビームＬ１および第２ビームＬ２を走査することができる。

なお、上述のように、偏光手段３３によって偏光した第１ビームＬ１と、偏光手段３３を透過した第２ビームＬ２が同軸光となって２軸のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙへ進行するように、第１照射装置３１および第２照射装置３２を配置した。しかしながら、これらを入れ替えて、偏光手段３３を透過した第１ビームＬ１と、偏光手段３３によって偏光した第２ビームＬ２が同軸光となって２軸のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙへ進行するように構成してもよい。

走査手段３４は例えばガルバノスキャナであり、ガルバノスキャナは、一対のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙと、各ガルバノミラー３４ｘ，３４ｙをそれぞれ回転させるアクチュエータを備えている。２軸のガルバノミラー３４ｘ，３４ｙは、第１光源３１１および第２光源３２１より出力された第１ビームＬ１および第２ビームＬ２を制御可能に２次元走査する。ガルバノミラー３４ｘ，３４ｙ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３４ｘ，３４ｙ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、所望の位置に同軸光となった第１ビームＬ１および第２ビームＬ２を照射することができる。

ガルバノミラー３４ｘ，３４ｙを通過した第１ビームＬ１および第２ビームＬ２は、チャンバ１の上部に設けられた保護ウインドウ１１を透過して造形領域ＲＭに形成された材料層６３に照射される。

ここで、第２の実施形態における第１ビームＬ１および第２ビームＬ２の走査方法について説明する。本実施形態では、図１０に示すように、各分割層における照射領域ＲＩは所定幅ｗ毎に１以上の分割領域に分割され、各分割領域毎に第１ビームＬ１および第２ビームＬ２の走査が行われる。具体的には、図１１に矢印で示すように、分割領域における第１ビームＬ１および第２ビームＬ２の所定幅ｗ方向の走査が、所定幅ｗに直交する走査方向ｓに沿って順に行われる。第２ビームＬ２の照射スポットは、第１ビームＬ１の照射スポットよりも大きく、各照射スポットの中心は略同一であるため、照射領域ＲＩ上の各部位においては、第１ビームＬ１よりも第２ビームＬ２がより長い時間照射されることとなる。なお、上記に示した第１ビームＬ１および第２ビームＬ２の走査方法はあくまで一例であり、種々の走査方法が採用可能である。具体的に、上記にはいわゆるラスタ走査の例を示したが、ベクトル走査であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。また、分割領域も任意の手法で設定してよい。

第２の実施形態に係る積層造形装置は、第２照射装置３２を少なくとも用いて上面層が第１温度Ｔ１に調整され、その後上面層が第２温度Ｔ２に調整されることを特徴とする。第２実施形態においても、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
焼結または溶融後、第２温度Ｔ２に調整される前の上面層は、オーステナイト相を含む状態であって、第２温度Ｔ２となることにより少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。なお、第２の実施形態においては、具体的に、上面層は後述の第１温調工程時点での最上位の固化層６５である。

以上のように、第３の温度調整装置として第２照射装置３２を構成することで、上面層を第１温度Ｔ１に調整することが可能である。また、第１温度Ｔ１に調整された上面層は、下層の固化層６５や造形プレート６１および周囲の不活性ガスに放熱されることで第２温度Ｔ２に調整される。特に、本実施形態のように、第４の温度調整装置が設けられる場合、例えば、造形テーブル２５が第２温度Ｔ２と略同一温度に温度調整される場合は、より効率的に上面層を第２温度Ｔ２に調整することができる。

また、積層造形装置は、最上位の材料層６３または上面層の温度を測定する温度センサ５５を有し、温度調整装置はフィードバック制御されてもよい。例えば、第２ビームＬ２の走査速度、レーザ強度、照射スポット径の大きさがフィードバック制御されてもよい。かかる構成により、より正確に最上位の材料層６３または上面層の温度を制御することができる。なお、温度センサ５５は、複数設けてもよい。また、温度センサ５５は、例えば、赤外線温度センサである。

ここで、第２の実施形態に係る積層造形物の製造方法における各工程について説明する。材料層形成工程、予熱工程、固化工程、第１温調工程、第２温調工程、切削工程の定義は前述の通りである。特に、第２の実施形態においては、第２ビームＬ２によって予熱工程および第１温調工程が実施される。

まず、材料層形成工程を行う。適切な位置に調整された造形テーブル２５上の造形プレート６１または固化層６５の上に、リコータヘッド２３によって材料層６３が形成される。

次に、予熱工程、固化工程、第１温調工程および第２温調工程が行われる。予熱工程、固化工程、第１温調工程および第２温調工程は平行して行われるが、ある部位に注目すれば、予熱工程、固化工程、第１温調工程、第２温調工程の順に行われる。ここでは図１２における所定部位Ｐに着目されたい。図１２においては、走査経路に所定部位Ｐを含む所定幅ｗ方向の第１ビームＬ１および第２ビームＬ２の走査を概略的に示している。

図１２（ａ）に示す状態では、材料層６３の所定部位Ｐには第１ビームＬ１および第２ビームＬ２が照射されていない。ここで、所定部位Ｐにおいて１回目の予熱工程が行われる。図１２（ｂ）に示すように、第１ビームＬ１および第２ビームＬ２が走査され、所定部位Ｐに第２ビームＬ２が照射される。これによって、所定部位Ｐが固化に適した温度まで予熱される。なお、各分割領域における走査の始点付近の材料層６３が固化に適した温度まで昇温するまで、分割領域において第１ビームＬ１および第２ビームＬ２を走査をさせる前に、第２ビームＬ２を所定時間始点付近の材料層６３に照射することが望ましい。

次に、所定部位Ｐにおいて固化工程が行われる。すなわち、図１２（ｃ）に示すように、材料層６３中の所定部位Ｐに第１ビームＬ１を照射し材料層６３のレーザ照射位置を焼結または溶融させる。すなわち、所定部位Ｐが固化層６５の一部となる。

次に、所定部位Ｐにおいて第１温調工程が行われる。図１２（ｄ）に示すように、固化層６５となった所定部位Ｐは第２ビームＬ２が照射される。所定部位Ｐは、第２ビームＬ２の照射によって少なくとも第１温度Ｔ１まで達する。なお、各分割領域における走査の終点付近の固化層６５が第２温度Ｔ２に調整されるときにマルテンサイト変態が起こるように十分第２ビームＬ２が照射されるまで、第１ビームＬ１および第２ビームＬ２が分割領域における走査を終えた後、第２ビームＬ２を所定時間終点付近の固化層６５に照射することが望ましい。また、第１温調工程における第１温度Ｔ１に保持される時間および第１温度Ｔ１は、使用する金属材料または使用が想定される金属材料に応じて適当な値に設定され、例えば、第２ビームＬ２の走査速度、レーザ強度、照射スポット径の大きさによって調整可能である。

図１２（ｅ）に示すように、第２ビームＬ２による所定部位Ｐへの照射が終了した後、所定部位Ｐにおいて第２温調工程が行われる。所定部位Ｐは下層の固化層６５、造形プレート７、不活性ガス雰囲気等に熱を奪われ、第２温度Ｔ２となる。

このような材料層形成工程、予熱工程、固化工程、第１温調工程および第２温調工程と、好ましくは適宜挿入される切削工程が繰り返され、所望の三次元造形物が形成される。なお、上記の製造方法においては予熱工程、固化工程、第１温調工程および第２温調工程を平行して行ったが、各部位において予熱工程、固化工程、第１温調工程、第２温調工程の順に各工程が行われるのであれば、予熱工程、固化工程、第１温調工程および第２温調工程は平行して行われなくてもよい。例えば、１層または複数層の固化層６５の形成に係る固化工程を完了する毎に、第１温調工程および第２温調工程を行ってもよい。なお、この場合においては、上面層は第１温調工程時点での最上位の固化層を少なくとも含む当該１層または複数層の固化層６５である。

［温度パターン］
第１の実施形態および第２の実施形態として具体的に例示したように、第１温調工程および第２温調工程を含む温度調整を繰り返し行いながら積層造形を行うことで、マルテンサイト変態時の体積膨張によって固化層６５の冷却による収縮に起因する引張応力を軽減し、造形物の変形を抑制することが可能である。換言すれば、第１温調工程および第２温調工程を造形途中に複数回実施して、引張応力を軽減しながら固化層の積層を行うことができる。

マルテンサイト変態が起こる温度範囲は、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下かつマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以上である。すなわち、マルテンサイト変態による膨張量、ひいては造形物の残留応力は、第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、およびマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆ、の関係により制御することができる。また、前述した通り、マルテンサイト変態が起こる温度範囲に第２温度Ｔ２が含まれる場合においては、造形完了後に、造形物の温度が第２温度Ｔ２未満となった際に、マルテンサイト変態がさらに進行してしまい、意図しない膨張が発生する可能性がある。そこで、三次元造形物が造形後曝される最低温度Ｔｍ以下に第２温度Ｔ２を設定する。このようにすれば造形物の温度が造形後に第２温度未満になることはないので、造形完了後にマルテンサイト変態が進行することを抑制できる。

すなわち、マルテンサイト変態が起こる温度範囲に第２温度Ｔ２が含まれる場合において、図１３および図１４に示す温度調整パターンが適切である。図１３および図１４においては、第１の実施形態における温度変化、すなわち所定の分割層における固化層６５が固化後、第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、第１温度Ｔ１の順番で温度調整される温度変化を概略的に表示している。第１の実施形態における各時点における温度変化を具体的に説明すると、まず、材料層６３に第１ビームＬ１が照射され、固化層６５が形成される。固化層６５の熱は、形成後すぐに下層の固化層６５や造形プレート６１等に奪われ、固化層６５の温度は第１温度Ｔ１に維持される（ｔ１）。所定層の固化層６５が形成されると（ｔ２）、固化層６５は第２温度Ｔ２へと調整される（ｔ３）。第２温度Ｔ２への温度調整が完了後（ｔ４）、再び固化層６５は第１温度Ｔ１に昇温される（ｔ５）。なお、前述したように、固化層６５の所定部位が少なくとも第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２の順番で温度調整されればよいので、本開示は図１３および図１４に示す温度変化に限定されるものではない。図１３および図１４は、あくまで各関係式を視覚的に表示するための参考図である。また、全ての分割層に係る固化層６５について同一のパターンを適用してもよいが、それぞれの分割層に係る固化層６５について異なるパターンを個別に適用してもよい。

＜パターンα＞
パターンαでは、下記式（１）、（２）、（３）、（４）、（５）および（６）をすべて満たす。また、パターンαの所定の固化層６５の温度変化の概略図を図１３に示す。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≧Ｍｓ （４）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
パターンαでは、第１ビームＬ１の照射による固化層６５の温度上昇の影響を考慮する必要がなく、残留応力を抑えた状態で造形を進行することができ、造形終了後に温度を下げることにより圧縮応力を発生させることができる。造形物に適度な圧縮応力を残留させることで、割れの発生を抑制できる。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。

＜パターンβ＞
パターンβでは、下記式（１）、（２）、（３）、（５）、（６）および（７）をすべて満たす。また、パターンβの所定の固化層６５の温度変化の概略図を図１４に示す。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≦Ｍｓ （７）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
パターンβでは、正確に温度制御ができる場合には、造形中および造形が完了して温度が下がった後の残留応力を制御することが可能である。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。

［材料］
前述の各温度パターンは、それぞれ適応可能な材料が限定される。例えば、パターンαの温度調整を行う場合は、温度調整装置による温度制御が可能な範囲に、少なくともマルテンサイト変態開始温度Ｍｓが含まれている必要があるが、すべての材料がその条件を満たすわけではない。一方、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓおよびマルテンサイト変態終了温度Ｍｆは、材料の炭素含有量によって上下することが分かっている。そこで、材料の炭素含有量を調整することで、本願発明のマルテンサイト変態を利用した造形方法を多様な材料に適応することができる。

材料の炭素含有量の調整方法として、例えば、複数の材料を混合してもよい。具体的には、所定の金属である第１金属に対し、相対的に炭素含有量の高い他の金属である第２金属または炭素の少なくとも一方を混合することで、所望のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓまたはマルテンサイト変態終了温度Ｍｆを有する混合材料を生成してもよい。
［その他の変形例］

第１の実施形態および第２の実施形態に係る積層造形装置は、粉末焼結積層造形方式または粉末溶融積層造形方式による積層造形装置であったが、シート積層方式による積層造形装置であってもよい。シート積層方式においては、材料層形成装置は、造形領域ＲＭに対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に板状の金属シートを使用して材料層を形成する。すなわち、材料粉体に代えて板状の金属シートを使用して材料層を形成し、材料層の所定箇所に第１ビームＬ１を照射して金属シートを溶融させることを繰り返すよう構成してもよい。

第１の実施形態および第２の実施形態では、第１ビームＬ１としてレーザ光を使用したが、固化層６５を形成可能であれば他の構成でもよく、例えば、第１ビームＬ１は電子ビームであってもよい。また、第２の実施形態では、第２ビームＬ２としてレーザ光を使用したが、固化層６５を第１温度Ｔ１に調整可能であれば他の構成でもよく、例えば、第２ビームＬ２は電子ビームであってもよい。

下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる限りにおいて、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２は造形中一定でなくてよい。例えば、各第１温調工程または第２温調工程毎に第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２の具体的数値は変化してもよい。

以上の通り、本発明の実施形態および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。特に、第１の実施形態および第２の実施形態で示した各技術的特徴は、技術的に矛盾が生じない範囲で互いに組み合わせ可能である。これら実施形態および変形例は、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。

２ 材料層形成装置
３１ 第１照射装置
６３ 材料層
６５ 固化層
Ｌ１ 第１ビーム
ＲＩ 照射領域
ＲＭ 造形領域

この発明は、積層造形物の製造方法に関する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形完了後に意図しないマルテンサイト変態が進行することを防止した上で、造形物の残留応力を制御する、積層造形物の製造方法を提供することを主たる目的とするものである。

また、本発明によれば、用途に応じて変化する三次元造形物が造形後曝される最低温度以下の温度に所定の温度である第２温度を設定する工程と、造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成工程と、所定の分割層における材料層の所定の照射領域に第１ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、１層または複数層の固化層の少なくとも一部を所定の温度である第１温度にする第１温調工程と、第１温度となった１層または複数層の固化層の少なくとも一部を所定の温度である第２温度にする第２温調工程と、を備え、前記材料層形成工程、前記固化工程、前記第１温調工程および前記第２温調工程が繰り返し実施され、各々の前記第１温調工程および前記第２温調工程における、第１温度をＴ１、第２温度をＴ２、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、用途に応じて変化する三次元造形物が造形後曝される最低温度をＴｍ、とすると、前記各々の第１温調工程および第２温調工程において、
下記式の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≧Ｍｓ （４）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
または下記式の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１≦Ｍｓ （７）
Ｔ２＞Ｍｆ （５）
Ｔ２≦Ｔｍ （６）
積層造形物の製造方法が提供される。

本発明に係る積層造形物の製造方法においては、三次元造形物が造形後曝される最低温度以下に第２温度を設定する。これにより、造形後に三次元造形物の温度が第２温度を下回ることがないため、意図しないマルテンサイト変態の進行を抑制でき、結果として三次元造形物の品質が安定する。

Claims (2)

1. 造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、
   所定の前記分割層における前記材料層の所定の照射領域に第１ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第１照射装置と、
   前記固化層の少なくとも一部の温度を所定の温度である第１温度または所定の温度である第２温度の少なくとも一方に調整する温度調整装置と、を備え、
   前記固化層の前記少なくとも一部は、前記第１温度となった後、前記第２温度となり、
   前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、前記三次元造形物が造形後曝される最低温度をＴｍ、とすると、
   下記式の関係が全て満たされる、
   Ｔ１≧Ｍｆ （１）
   Ｔ１＞Ｔ２ （２）
   Ｔ２≦Ｍｓ （３）
   Ｔ１≧Ｍｓ （４）
   Ｔ２＞Ｍｆ （５）
   Ｔ２≦Ｔｍ （６）
   または下記式の関係が全て満たされる、
   Ｔ１≧Ｍｆ （１）
   Ｔ１＞Ｔ２ （２）
   Ｔ２≦Ｍｓ （３）
   Ｔ１≦Ｍｓ （７）
   Ｔ２＞Ｍｆ （５）
   Ｔ２≦Ｔｍ （６）
   積層造形装置。
2. 造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成工程と、
   所定の前記分割層における前記材料層の所定の照射領域に第１ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、
   前記固化層の少なくとも一部を所定の温度である第１温度にする第１温調工程と、
   前記第１温度となった前記固化層の前記少なくとも一部を所定の温度である第２温度にする第２温調工程と、を備え、
   前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、前記三次元造形物が造形後曝される最低温度をＴｍ、とすると、
   下記式の関係が全て満たされる、
   Ｔ１≧Ｍｆ （１）
   Ｔ１＞Ｔ２ （２）
   Ｔ２≦Ｍｓ （３）
   Ｔ１≧Ｍｓ （４）
   Ｔ２＞Ｍｆ （５）
   Ｔ２≦Ｔｍ （６）
   または下記式の関係が全て満たされる、
   Ｔ１≧Ｍｆ （１）
   Ｔ１＞Ｔ２ （２）
   Ｔ２≦Ｍｓ （３）
   Ｔ１≦Ｍｓ （７）
   Ｔ２＞Ｍｆ （５）
   Ｔ２≦Ｔｍ （６）
   積層造形物の製造方法。

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