JP2020152973A - レーザ積層造形装置及びレーザ積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形部に十分なシールドガス雰囲気を形成することが可能なレーザ積層造形装置を提供する。【解決手段】チャンバ５と、金属粉末Ｍを充填する造形槽１０を表面に有する造形ステージ６と、造形槽６内の金属粉末Ｍの表層にレーザ光を照射するレーザ光源２と、チャンバ５内に位置し、チャンバ５内のレーザ光の周囲を覆い、チャンバ５内の雰囲気とレーザ光の周囲の雰囲気とを区画するシールドカバー７と、シールドカバー７内に不活性ガスを供給する、不活性ガス供給部８と、を備えるレーザ積層造形装置。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ積層造形装置及びレーザ積層造形方法に関する。

Additive Manufacturingは、付加製造技術とも言われ、樹脂や金属を積層造形する方法である。造形機器として代表的なものは3D Printerがあり、従来にない複雑な形状のものを短時間で製作できるため、航空機、医療等の先端技術分野から有望な技術と注目されている。

付加製造技術において、熱源の代表的なものとしては、レーザや電子ビーム等が知られている。レーザ光による金属の積層造形においては、先ず、不活性ガスで充満されたチャンバ内に、上下方向に移動可能な造形テーブル上に造形プレートを取り付ける。次いで、造形プレートを覆うよう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。この工程を繰り返すことによって、造形プレート上に所望の造形物を形成する（特許文献１参照）。

ところで、金属材料の粉体をレーザ光によって溶融する場合、所要のエネルギーのレーザ光を常時安定して照射するとともに、金属材料が変質しないように保護する必要があるため、所定のレーザ光照射領域の周囲の環境を可能な限り酸素が存在しない雰囲気（ガスシールド雰囲気）にすることが要求される。したがって、金属材料の粉体を用いる積層造形装置では、レーザ光の照射領域を覆うチャンバを設け、チャンバ内に窒素ガス等の不活性ガスを供給して、酸素濃度が十分に低い雰囲気下でレーザ光を照射する構成となっている。

特開２０１６−０７４９５７号公報

しかしながら、従来のチャンバでは、造形中に溶融した粉末から、粉末表面に吸着した水分や酸素、スパッタ、金属蒸気が発生し、チャンバ内の雰囲気が悪化するため、造形部に悪影響を与えるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、造形部に十分なシールドガス雰囲気を形成することが可能なレーザ積層造形装置、及びレーザ積層造形方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 金属粉末の表層にレーザ光を照射して前記金属粉末を焼結又は溶融固化させた金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造するレーザ積層造形装置であって、
チャンバと、
前記チャンバ内に位置し、金属粉末を充填する造形槽を表面に有する造形ステージと、
前記造形槽内の前記金属粉末の表層にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記チャンバ内に位置し、前記チャンバ内の前記レーザ光の周囲を覆い、前記チャンバ内の雰囲気と前記レーザ光の周囲の雰囲気とを区画するシールドカバーと、
前記シールドカバー内に不活性ガスを供給する、不活性ガス供給部と、を備える、レーザ積層造形装置。
［２］ 前記シールドカバーは、両端に前記レーザ光が通過する開口を有する筒状部材を含む、［１］に記載のレーザ積層造形装置。
［３］ 前記筒状部材は、前記筒状部材の軸方向と、前記チャンバ内の前記レーザ光の照射方向とが一致するように配置される、［２］に記載のレーザ積層造形装置。
［４］ 前記筒状部材が、１以上の不活性ガス排気口を有する、［２］又は［３］に記載のレーザ積層造形装置。
［５］ 前記シールドカバー内の不活性ガスの流れを、前記レーザ光の照射方向と同一方向の層流とするガス拡散機構を有する、［１］乃至［４］に記載のレーザ積層造形装置。
［６］ 前記シールドカバーの前記造形ステージの表面と対向する側の端部が、前記造形ステージの表面に対して垂直方向に移動する移動機構を有する、［１］乃至［５］に記載のレーザ積層造形装置。
［７］ 前記シールドカバーは、内筒部と外筒部とからなる二重管構造を有する第１シールド部材と、
前記外筒部に接続する、両端開口の筒状部材からなる第２シールド部材と、を有する［１］に記載のレーザ積層造形装置。
［８］ 前記内筒部の内側をレーザ光が通過し、
前記内筒部と外筒部との間の空間から、前記第２シールド部材内へ前記不活性ガスを供給する、［７］に記載のレーザ積層造形装置。
［９］ 前記内筒部と外筒部との間の空間に、ガス拡散機構を配置する、［８］に記載のレーザ積層造形装置。
［１０］ 前記内筒部の内側に、前記シールドカバー内の雰囲気と前記内筒部内の雰囲気とを区画する保護レンズを配置する、［８］又は［９］に記載のレーザ積層造形装置。
［１１］ 前記第２シールド部材の前記造形ステージの表面と対向する側の端部が、前記造形ステージの表面に対して垂直方向に移動する移動機構を有する、［７］乃至［１０］に記載のレーザ積層造形装置。
［１２］ チャンバ内の造形ステージが有する造形槽に金属粉末を充填する第１ステップと、
前記造形槽内の前記金属粉末の表層にレーザ光を照射して前記金属粉末を焼結又は溶融固化させた金属の層を造形する第２ステップと、を含み、
前記第１ステップと前記第２ステップとを繰り返し行い、前記層を積層して金属造形物を製造するレーザ積層造形方法であって、
前記第２ステップの際、前記チャンバ内の雰囲気と前記レーザ光の周囲の雰囲気とを区画し、区画された前記レーザ光の周囲に不活性ガスを供給しながら前記レーザ光を照射する、レーザ積層造形方法。

本発明のレーザ積層造形装置及びレーザ積層造形方法によれば、造形部に十分なシールドガス雰囲気を形成することができる。したがって、機械的特性に優れた造形物を製造することができる。

本発明を適用した一実施形態であるレーザ積層造形装置の構成の一例を示す断面模式図である。 本実施形態のレーザ積層造形装置を構成する第１シールド部材を先端側から見た平面図である。 本実施形態のレーザ積層造形装置を構成する第１シールド部材の他の例を示す平面図である。 本実施形態のレーザ積層造形装置を構成する第２シールド部材の移動方法を説明するための断面模式図である。 本発明を適用した一実施形態であるレーザ積層造形装置の構成の変形例を示す断面模式図である。 本発明を適用した他の実施形態であるレーザ積層造形装置の構成を示す断面模式図である。

以下、本発明を適用した一実施形態であるレーザ積層造形装置及びレーザ積層造形方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

本明細書において、レーザ積層造形装置とは、金属粉末にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、造形された金属の層を積層して金属造形物を製造する装置を意味する。
レーザ積層造形装置は、エネルギー線を照射することにより、金属粉末を焼結して又は溶融固化させて、金属の層を造形し、造形された層を積層する。
本明細書において、「金属粉末を焼結等する」と記載した場合、金属粉末を焼結すること又は金属粉末を溶融固化させることを意味する。なお、金属粉末を焼結等して造形される金属の層を単に、「焼結層」とも記すことがある。
本明細書において、金属粉末の「変性」とは、エネルギー線の照射の前後における金属粉末の物理的性質及び化学的性質の変化を意味する。金属粉末の物理的性質及び化学的性質の変化としては、ヒューム及びスパッタ等の不純物が金属粉末に混入していること、金属粉末の金属粒子同士が凝集して凝集物が発生していること、金属粒子の酸化物が生成していること等が例示される。
本明細書において、シールドガスとは、金属粉末を焼結等する際に、金属粉末の周囲の酸素ガス濃度を低減すること等を目的として金属粉末の周囲に供給されるガスを意味する。

先ず、本発明を適用した一実施形態であるレーザ積層造形装置の構成について、説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態であるレーザ積層造形装置の構成の一例を示す断面模式図である。

図１に示すようにレーザ積層造形装置１は、レーザ発振器（レーザ光源）２と、光学系３と、造形部４とを備える。以下にレーザ積層造形装置１の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

レーザ発振器２は、造形部４内の金属粉末Ｍにエネルギー線の一例であるレーザ（レーザ光）Ｌを照射できる形態であれば特に限定されない。レーザ発振器２は光学系３を経由させて、レーザＬを造形部４内の金属粉末Ｍに照射する。また、レーザ発振器２は、図示しない演算部にあらかじめ入力されたデータに従って、レーザＬの照射と停止とを切り替える。これによりレーザ積層造形装置１は金属粉末Ｍを焼結等でき、レーザＬの描画線に沿って任意の形状に金属の層を造形できる。

光学系３は、レーザ発振器２から照射されるレーザＬを反射できる形態であれば特に限定されない。光学系３は、例えば一以上の反射鏡で構成できる。レーザ積層造形装置１は、演算部（図示略）にあらかじめ入力されたデータにしたがって光学系３を制御することで、金属粉末Ｍに照射されるレーザＬの位置を制御し、任意の形状の金属の層を造形できる。

造形部４は金属粉末Ｍを焼結等して金属粉末Ｍの焼結層を造形し、焼結層を積層するための部分である。造形部４は、チャンバ５、造形ステージ６、シールドカバー７、及び第１シールドガス供給部（不活性ガス供給部）８を含む。

チャンバ５は、レーザ積層造形装置１の筐体の一部を構成し、チャンバ５内の雰囲気とレーザ積層造形装置１の設置された環境の雰囲気とを区画する。

造形ステージ６は、焼結層の造形と造形した焼結層の積層とを繰り返すための場である。造形ステージ６は、供給槽９と、造形槽１０と、リコーター１１と、凹部１２とを有する。

供給槽９は、金属粉末Ｍを貯蔵し、金属粉末Ｍを造形槽１０に供給するための槽である。供給槽９には、図示略の金属粉末の供給源から供給される金属粉末Ｍが敷き詰められている。
供給槽９の底面は、第１昇降台１３に支持されている。第１昇降台１３は、図１中に示す上方向に移動可能である。これにより、供給槽９の底面は、図１中に示す上方向に移動できる。

造形槽１０は、造形用の金属粉末Ｍが充填されるとともに、金属造形物Ｓの造形を行うための槽であり、造形ステージ６を断面視した際、造形ステージ６の表層（上面）寄りに位置する。造形槽１０には、供給槽９から供給された未焼結の金属粉末Ｍが敷き詰められている。また、造形槽１０に充填された金属粉末Ｍの表層には、造形途中の金属造形物Ｓが形成されている。
造形槽１０の底面は、第２昇降台１４に支持されている。第２昇降台１４は、図１中に示す下方向に移動可能である。これにより、造形槽１０の底面は、図１中に示す下方向に移動できる。

リコーター１１は、供給槽９に貯蔵された未焼結の金属粉末Ｍを造形槽１０に供給するとともに、供給槽９及び造形槽１０の上面を造形ステージ６の上面と面一にする。
リコーター１１は、造形ステージ６の上面に沿って、当該上面と水平方向に移動可能である。リコーター１１の先端１１ａは、造形ステージ６の上面と接する。そのため、リコーター１１が図１中に示す造形ステージ６の上面上の左方向に移動すると、当該上面にある金属粉末が図１中に示す造形ステージ６の上面上の左方向に搬送され、供給槽９及び造形槽１０の上面が造形ステージ６の上面と面一になる。

このように、本実施形態のレーザ積層造形装置１では、図示略の金属粉末の供給源と、供給槽９と、第１昇降台１３と、リコーター１１とが、造形槽１０に未変性の金属粉末Ｍを供給する供給機構を構成する。これにより、レーザ積層造形装置１は、造形槽１０に未変性の金属粉末Ｍを充填できる。

凹部１２は、造形ステージ６の上面に設けられている。凹部１２には、造形槽１０に供給されなかった金属粉末Ｍの残りが貯留される。

金属粉末Ｍとしては、カーボン、ホウ素、マグネシウム、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、モリブテン、コバルト、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、チタン、アルミニウム等の各種の金属及びこれらの合金の粉末が例示される。
金属粉末Ｍの金属粒子の粒径としては、１０〜２００μｍ程度とすることができる。

シールドカバー７は、チャンバ５内のレーザＬが通過する部分の周囲の空間を局所的に覆い、チャンバ５内の雰囲気とレーザＬが通過する部分の周囲の雰囲気とを区画するための界壁である。本実施形態のレーザ積層造形装置１では、チャンバ５の上方から造形ステージ６の上面に位置する造形槽１０にレーザＬが照射される構成であるため、シールドカバー７は、造形ステージ６の上面と、チャンバ５の天板（上面）との間に配置されている。

シールドカバー７の構成は、内部にレーザＬが通過し、チャンバ５内の雰囲気とレーザＬが通過する部分の周囲の雰囲気とを区画できるものであれば、特に限定されない。シールドカバー７としては、両端にレーザＬが通過する開口を有し、チャンバ５内のレーザＬの照射方向を中心軸とする筒状部材を含むことが好ましい。

本実施形態のレーザ積層造形装置１では、シールドカバー７が、第１シールド部材１６及び第２シールド部材１７の２部材から構成される場合を一例として説明する。

第１シールド部材１６は、チャンバ５内を通過するレーザＬの一次側に位置し、内筒部１８と外筒部１９とからなる二重管構造を有する。
内筒部１８及び外筒部１９は、筒状の界壁からなる部材であり、内側と外側との雰囲気をそれぞれ区画する。
内筒部１８の内側の空間は、基端及び先端（すなわち両端）が開口する。
内筒部１８と外筒部１９との間の空間は、基端が閉塞し、先端が開口する。

第１シールド部材１６は、内筒部１８の中心軸がレーザＬの照射方向と一致するように、かつ、内筒部１８と外筒部１９との間の空間を閉塞する基端側がチャンバ５の天板（上面）と密着するようにチャンバ５に固定されている。
これにより、チャンバ５内のレーザＬは、内筒部１８の内側の空間を通過する。
また、後述する第１シールドガス供給部８から内筒部１８と外筒部１９との間の空間に供給したシールドガス（不活性ガス）を、当該空間の先端から下方（第２シールド部材１７内）に向けて供給できる。これにより、レーザＬが通過する部分の周囲の空間を局所的にシールドガスで覆うことができる。

図２は、第１シールド部材１６を内筒部１８及び外筒部１９の先端側から見た平面図である。図２に示すように、内筒部１８の先端側の開口は円形である。すなわち、内筒部１８は円筒状である。内筒部１８の軸方向に垂直な断面形状は、レーザＬのスポット形状に応じて選択することが好ましい。

外筒部１９の先端側の開口は四角形である。すなわち、外筒部１９は四角柱（筒）状である。外筒部１９の軸方向に垂直な断面形状は、造形ステージ６の上面の形状、あるいは造形槽１０上の金属粉末Ｍを覆うことができる形状に応じて選択することが好ましい。

なお、第１シールド部材１６を構成する内筒部１８及び外筒部１９の先端側の開口の形状は一例であり、これに限定されない。
例えば、図３に示すように、内筒部１８及び外筒部１９の先端側の開口の形状がいずれも円形であってもよい。

図２及び図３に示すように、内筒部１８の内側には、保護レンズ２０を配置することが好ましい。保護レンズ２０は、シールドカバー７内の雰囲気と内筒部１８内の雰囲気とを区画する。これにより、シールドカバー７内のガスによって、レーザ発振器２や光学系３が腐食することを防ぐことができる。

図１〜図３に示すように、内筒部１８と外筒部１９との間の空間には、ガス拡散機構２１を配置することが好ましい。ガス拡散機構２１は、第１シールドガス供給部８から内筒部１８と外筒部１９との間の空間に供給されたシールドガスをシールドカバー７内全体に拡散させるための拡散板である。

ガス拡散機構２１の構造は、シールドガスをシールドカバー７内全体に拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散機構２１としては、例えば、メッシュ構造を有するネットや、パンチングプレートを用いることができる。

ガス拡散機構２１は、シールドカバー７内のシールドガス（不活性ガス）の流れを、レーザ（レーザ光）Ｌの照射方向と同一方向の層流とすることが好ましい。ガス拡散機構２１を通過したシールドガスが、乱流を起こさない程度の流れでレーザ光の周辺部を上方から下方に静かに流れることで、乱流によるレーザ光の散乱や金属粉末Ｍの巻上げなどを抑制できる。

図１に示すように、第２シールド部材１７は、チャンバ５内を通過するレーザＬの照射方向において、第１シールド部材１６の二次側に位置し、外筒部１９と接続している。
第２シールド部材１７は、筒状の界壁からなる部材（筒状部材）であり、内側と外側との雰囲気をそれぞれ区画する。
第２シールド部材１７の内側の空間は、基端及び先端（すなわち両端）が開口する。また、第２シールド部材１７の断面形状は、外筒部１９と相似形（四角形）である。

第２シールド部材１７の基端側は、第１シールド部材１６の外筒部１９の外側に位置し、当該外筒部１９の周囲を覆うように配置されている。また、後述するように、第２シールド部材１７は、外筒部１９の軸方向（すなわち、レーザＬの照射方向）に摺動可能に設けられている。ここで、第２シールド部材１７と外筒部１９との間は、気密な状態で密着することが好ましい。また、シールドカバー７内がチャンバ５内よりも陽圧であれば、第２シールド部材１７と外筒部１９との間は気密でなくともよい。

第２シールド部材１７の先端（すなわち、シールドカバー７の先端）は、造形ステージ６の上面、あるいは造形槽１０の表層の金属粉末Ｍと対向するように位置する。また、第２シールド部材１７の先端は、造形時、造形ステージ６に接触しない程度に距離を置いて配置される。これにより、第２シールド部材１７の先端と造形ステージ６の上面との隙間からシールドカバー７内のシールドガスが排気されるため、シールドカバー７内の圧力の上昇を防ぐことができる。

第２シールド部材１７の先端と造形ステージ６の上面との間の距離は、シールドカバー７内からチャンバ５内へシールドガスが排気されやすく、シールドカバー７内の圧力上昇を抑制できれば、特に限定されない。このような距離としては、０．１ｍｍ以上が好ましく、１０〜５０ｍｍがより好ましい。

本実施形態のレーザ積層造形装置１は、チャンバ５内にシールドカバー７を有するため、レーザＬが通過する部分の周囲の空間を局所的にシールドガスで覆うことができる。
すなわち、大きな空間であるチャンバ５内から区画された小さな空間であるシールドカバー７内をより少量のシールドガスで効率よくパージすることができる。

シールドカバー７の材質は、気密なもの（ガス透過しないもの）であれば、特に限定されない。シールドカバー７の材質としては、シリコン系、フッ素系、ポリイミド系等の樹脂、およびステンレス鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属が挙げられる。
また、シールドカバー７の材質は、使用環境に応じて適宜選択してもよい。例えば、耐熱性を有するものや、耐圧性を有するもの、発塵しないものを用いてもよい。

シールドカバー７の形態は、造形ステージもしくはレーザ照射範囲をシールドできるものであれば、特に限定されない。具体的な形態としては、両端開口の筒状部材、蛇腹状の伸縮部材、等が挙げられる。

シールドカバー７の先端（あるいは、第２シールド部材１７の先端）と造形ステージ６の上面とは、わずかに離間した状態で対向する。しかしながら、リコーター１１が金属粉末を造形槽１０に充填するために造形ステージ６上を移動する際、その移動を妨げないようにシールドカバー７の少なくとも先端側が退避することが好ましい。

移動機構２２は、シールドカバー７の造形ステージ６の表面と対向する側の端部（先端）を、造形ステージ６の表面に対して垂直方向に移動させる装置である。
移動機構２２は、チャンバ５の外側に位置する。このため、移動機構２２は、比較的大型であってもよい。
移動機構２２は、第２シールド部材１７の基端部（上端部）の一部に固定され、鉛直方向上下に延在する引上げ部材２３と、回転ギア２４とを有する。

移動機構２２は、引上げ部材２３と回転ギア２４とはギアで噛み合わされている。
図４に示すように、回転ギア２４を回転させると、引上げ部材２３が鉛直方向上下に移動する。そして、引上げ部材２３に固定された第２シールド部材１７全体が外筒部１９の軸方向に対して垂直方向上下に摺動する。なお、第２シールド部材１７は、垂直方向上方に移動する際、チャンバ５を貫通してチャンバ５の外側に引き出される。これにより、第２シールド部材１７の先端を退避することができる。

シールドカバー７の移動量は、リコーター１１の移動を妨げなければ、特に限定されない。シールドカバー７の移動量としては、０〜５００ｍｍが好ましい。

第１シールドガス供給部８は、シールドカバー７内にシールドガスとして不活性ガスを供給する供給口である。第１シールドガス供給部８は、チャンバ５及び第１シールド部材１６を貫通して、内筒部１８と外筒部１９との間の空間に連通するように配置されている。
第１シールドガス供給部８は、チャンバ５内にシールドガスを供給して、チャンバ５内に残留する大気成分（例えば、酸素）を当該シールドガスでパージできる。
第１シールドガス供給部８は、シールドカバー７の内側の空間を選択的にパージできる。これにより、造形槽１０の表層に位置する金属粉末Ｍが酸化しにくくなり、金属粉末Ｍの変性を防止しやすくなる。そのため、金属造形物Ｓの機械的物性がさらに向上し、金属造形物Ｓの形状の劣化を低減できる。
第１シールドガス供給部８の数は、特に限定されるものではなく、シールドカバー７内全体にシールドガスを供給できるように複数設けても良い。

本実施形態のレーザ積層造形装置１は、シールドカバー７内の空間より大きなチャンバ５内をパージするために、第２シールドガス供給部２５を有してもよい。第２シールドガス供給部２５を設けることで、チャンバ５内全体のパージ効率を向上できる。なお、第２シールドガス供給部２５を設ける場合、造形中に第２シールドガス供給部２５からチャンバ５内に供給するシールドガスの供給量は、第１シールドガス供給部８からシールドカバー７内からチャンバ５内へ排気されるガスの流れを妨げない程度とする。

本実施形態のレーザ積層造形装置１は、シールドカバー７内の圧力値を測定するための圧力測定装置を備えていてもよい。シールドカバー７内の圧力としては、特に限定されないが、０〜０．１ＭＰａが好ましく、０〜０．０１ＭＰａがより好ましい。
なお、本明細書においての圧力は、すべて「ゲージ圧力」であり、ブルドン管圧力計を用いて、２５℃の条件下で測定される値である。

また、本実施形態のレーザ積層造形装置１は、シールドカバー７内の圧力値に応じてシールドカバー７内に供給するシールドガスの流量を制御する流量制御装置を備えていてもよい。シールドガスの流量は、シールドカバー７内の圧力が閾値以上とならなければ、特に限定されない。このようなシールドガスの流量としては、０．１〜２００Ｌが好ましく、１〜２０Ｌがより好ましい。

さらに、本実施形態のレーザ積層造形装置１は、シールドカバー７内の圧力値に応じてシールドカバー７の先端（あるいは、第２シールド部材１７の先端）と造形ステージ６の上面との距離を制御する機構を有していてもよい。このような機構として、上述した移動機構２２を用いてもよい。

次に、本実施形態のレーザ積層造形装置１を用いたレーザ積層造形方法について、図１及び図４を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態のレーザ積層造形方法は、チャンバ５内の造形ステージ６が有する造形槽１０に金属粉末Ｍを充填する第１ステップと、造形槽１０内の金属粉末Ｍの表層にレーザ（レーザ光）Ｌを照射して金属粉末Ｍを焼結又は溶融固化させた金属の層を造形する第２ステップと、を含み、上記第１ステップと上記第２ステップとを繰り返し行い、上記金属の層を積層して金属造形物Ｓを製造するものである。そして、上記第２ステップの際、チャンバ５内の雰囲気とレーザＬの周囲の雰囲気とを区画し、区画されたレーザＬの周囲にシールドガス（不活性ガス）を供給しながらレーザＬを照射して金属の層を造形する。

具体的には、先ず、金属層の造形の前に、第１シールドガス供給部８からシールドカバー７内に、第２シールドガス供給部２５からチャンバ５内に、それぞれシールドガスを供給する。これにより、シールドカバー７内の雰囲気をシールドガスで充分に置換できる。

本実施形態では、シールドガスは、水素、ヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン及びキセノンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、水素、ヘリウム、窒素及びネオンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことがより好ましい。シールドガスは、これらのガス成分を１種単独で含んでもよく、２種以上を併用して含んでもよい。また、シールドガスの組成は、金属粉体Ｍの種類に合わせて適宜選択することが好ましい。

例えば、オーステナイト系ステンレス鋼及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属は水素脆性感受性が低い。金属粉体Ｍがオーステナイト組織の金属を含む場合、金属粉体Ｍは酸化しやすく、これにより耐食性等が劣化しやすい。そのため、金属粉体Ｍがオーステナイト系ステンレス鋼、及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属を含む場合には、酸化防止の観点から、シールドガスとして水素ガス等の還元性ガスを適用することが好ましい。

一方、金属粉体Ｍが鉄を主成分とする合金を含む場合には、水素脆性防止の観点から、シールドガス中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。金属粉体Ｍがアルミ、チタン又は、これらを主成分とする合金を含む場合には、ブローホールの形成を防止する観点から、シールドガス中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。

シールドカバー７内にシールドガスを供給した後、レーザ発振機２からエネルギー線としてレーザＬをチャンバ５内の金属粉体Ｍに照射する。レーザ積層造形装置１は、あらかじめ入力されたデータにしたがい、光学系３を制御し、チャンバ５内の金属粉体ＭにレーザＬを照射する。
レーザＬの照射により、レーザＬが照射された部分の金属粉体Ｍが焼結され、金属粉体の焼結物がレーザＬの描画線に沿って任意の形状に造形される。その結果、金属層が任意の形状に造形される。

次に、金属層の造形が終わると、第２昇降台１４が下方に移動する。次いで、造形した金属層の上側に新たに金属粉体Ｍが供給される。この際、シールドカバー７は、移動機構２２を運転することでリコーター１１の移動を妨げない位置に退避する。これにより、リコーター１１は新たな金属粉末Ｍを造形槽１０に供給することができる。

次に、新たに造形槽１０内に供給された金属粉体Ｍに対し、移動機構２２を運転してシールドカバー７を造形ステージ６に当らない程度の位置まで降下させる。シールドカバー７内には、第１シールドガス供給部８からガス拡散機構２１を介して供給されたシールドガスが、乱流を起こさない程度の流れでレーザＥの周辺部を上から下方向に静かに流れて、乱流によるレーザ光の散乱や金属粉末Ｍの巻上げなどを抑えている。

以上説明したように、本実施形態のレーザ積層造形装置１及びレーザ積層造形方法によれば、シールドカバー７内にシールドガスを選択的に供給するため、造形部４に十分なシールドガス雰囲気を形成することができる。したがって、金属粉体Ｍの表面にレーザ光が照射された際、粉体表面に吸着した水分や酸素、スパッタ、金属蒸気が発生しても適宜パージされるため、造形物への悪影響を低減でき、機械的特性に優れた造形物を製造できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、図５に示すように、シールドカバー７（すなわち、第２シールド部材１７）の先端（下端）寄りの部分に、１以上のパージガス排出口２６を設ける構成としてもよい。このような構成とすることで、シールドカバー７内に供給するシールドガスの流量を減らすことなく、シールドカバー７内の圧力上昇を抑制できる。

上述した実施形態のレーザ積層造形装置１では、チャンバ５の外側に配置された移動機構２２を用いて、第２シールド部材１７の全体を退避する構成を一例として説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、図６に示すように、他の実施形態のレーザ積層造形装置５１は、シールドカバー５７を構成する第２シールド部材２７をジャバラ形状としてもよい。これにより、リコーター１１を回避する上方向への退避動作において、第２シールド部材２７の全体が鉛直方向上方に移動する必要がないことから、第２シールド部材２７がチャンバ５を貫通する必要がない。したがって、チャンバ５内の気密状態をより良くすることができる。

なお、この場合、移動機構はチャンバ５内へ収容する必要があるため、よりコンパクトな機構が求められる。例えば、チャンバ５内に収容された移動機構２８は、第２シールド部材２７の先端部（下端部）の一部に固定され、水平方向に延在する固定部材２９と、回転ギア３０と、重り３１と、固定部材２９と重り３１との間を連結し、回転ギア３０とギアで噛み合わされた引上げベルト３２と、を有する。

図６に示すように、回転ギア３０を回転させると、引上げベルト３２の両端部がそれぞれ鉛直方向上下に移動する。そして、引上げベルト３２に固定された固定部材２９を介して第２シールド部材２７の先端部（下端部）のみが垂直方向上下に移動する。これにより、第２シールド部材２７の先端を退避することができる。このとき、第２シールド部材２７のジャバラ部分が伸縮するため、チャンバ５を貫通して外側に露出することがない。

また、上述した実施形態のレーザ積層造形装置１では、シールドカバー７が２つの部材から構成される場合を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、両端開口の筒状部材のみをシールドカバーとして用いてもよい。また、上述した実施形態における第２シールド部材１７をさらに分割し、軸方向に摺動可能な２部材として、合計３部材以上で構成してもよい。

１，５１…レーザ積層造形装置
２…レーザ発振器（レーザ光源）
３…光学系
４…造形部
５…チャンバ
６…造形ステージ
７，５７…シールドカバー
８…第１シールドガス供給部（不活性ガス供給部）
９…供給槽
１０…造形槽
１１…リコーター
１２…凹部
１３…第１昇降台
１４…第２昇降台
１６…第シールド部材
１７，２７…第２シールド部材
１８…内筒部
１９…外筒部
２０…保護レンズ
２１…ガス拡散機構
２２，２８…移動機構
２５…第２シールドガス供給部
２６…パージガス排出口
Ｌ…レーザ（レーザ光）
Ｍ…金属粉末
Ｓ…金属造形物

Claims (12)

1. 金属粉末の表層にレーザ光を照射して前記金属粉末を焼結又は溶融固化させた金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造するレーザ積層造形装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバ内に位置し、金属粉末を充填する造形槽を表面に有する造形ステージと、
   前記造形槽内の前記金属粉末の表層にレーザ光を照射するレーザ光源と、
   前記チャンバ内に位置し、前記チャンバ内の前記レーザ光の周囲を覆い、前記チャンバ内の雰囲気と前記レーザ光の周囲の雰囲気とを区画するシールドカバーと、
   前記シールドカバー内に不活性ガスを供給する、不活性ガス供給部と、を備える、レーザ積層造形装置。
2. 前記シールドカバーは、両端に前記レーザ光が通過する開口を有する筒状部材を含む、請求項１に記載のレーザ積層造形装置。
3. 前記筒状部材は、前記筒状部材の軸方向と、前記チャンバ内の前記レーザ光の照射方向とが一致するように配置される、請求項２に記載のレーザ積層造形装置。
4. 前記筒状部材が、１以上の不活性ガス排気口を有する、請求項２又は３に記載のレーザ積層造形装置。
5. 前記シールドカバー内の不活性ガスの流れを、前記レーザ光の照射方向と同一方向の層流とするガス拡散機構を有する、請求項１乃至４に記載のレーザ積層造形装置。
6. 前記シールドカバーの前記造形ステージの表面と対向する側の端部が、前記造形ステージの表面に対して垂直方向に移動する移動機構を有する、請求項１乃至５に記載のレーザ積層造形装置。
7. 前記シールドカバーは、内筒部と外筒部とからなる二重管構造を有する第１シールド部材と、
   前記外筒部に接続する、両端開口の筒状部材からなる第２シールド部材と、を有する請求項１に記載のレーザ積層造形装置。
8. 前記内筒部の内側をレーザ光が通過し、
   前記内筒部と外筒部との間の空間から、前記第２シールド部材内へ前記不活性ガスを供給する、請求項７に記載のレーザ積層造形装置。
9. 前記内筒部と外筒部との間の空間に、ガス拡散機構を配置する、請求項８に記載のレーザ積層造形装置。
10. 前記内筒部の内側に、前記シールドカバー内の雰囲気と前記内筒部内の雰囲気とを区画する保護レンズを配置する、請求項８又は９に記載のレーザ積層造形装置。
11. 前記第２シールド部材の前記造形ステージの表面と対向する側の端部が、前記造形ステージの表面に対して垂直方向に移動する移動機構を有する、請求項７乃至１０に記載のレーザ積層造形装置。
12. チャンバ内の造形ステージが有する造形槽に金属粉末を充填する第１ステップと、
    前記造形槽内の前記金属粉末の表層にレーザ光を照射して前記金属粉末を焼結又は溶融固化させた金属の層を造形する第２ステップと、を含み、
    前記第１ステップと前記第２ステップとを繰り返し行い、前記層を積層して金属造形物を製造するレーザ積層造形方法であって、
    前記第２ステップの際、前記チャンバ内の雰囲気と前記レーザ光の周囲の雰囲気とを区画し、区画された前記レーザ光の周囲に不活性ガスを供給しながら前記レーザ光を照射する、レーザ積層造形方法。

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