JP2021161460A - 造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形による造形物の中空の内部空間に連通している開口部を容易に閉止できる造形物の製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも一実施形態に係る造形物の製造方法は、金属粉末を積層して、中空の内部空間に連通している開口部を有する造形物を形成するステップと、開口部にプラグを装着するステップと、開口部に装着したプラグを造形物に溶接するステップと、を備える。
【選択図】図２

Description

本開示は、造形物の製造方法に関する。

近年、金属を積層造形して三次元形状物を得る積層造形法が種々の金属製品の製造方法として利用されている。例えば、パウダーベッド法による積層造形法では、層状に敷設された金属粉末に光ビームや電子ビーム等のエネルギービームを照射することによって、溶融固化を繰り返し積層することにより三次元形状物を形成する（例えば特許文献１参照）。

特許第６４０５０２８号公報

例えば、パウダーベッド法による積層造形法では、造形物の形成後に、造形物の中空の内部空間に残留する金属粉末を内部空間に連通している開口部から造形物の外部に排出する。該開口部が残ったままでは造形物の使用時に不都合となるのであれば、金属粉末の排出後に該開口部を塞ぐ必要がある。
しかし、例えばＴＩＧ溶接で開口部を塞ぐ場合、閉塞部分が内部空間に面する表面の平面度を確保することは困難である。また、ＴＩＧ溶接で開口部を塞ぐ場合、造形物への入熱が比較的大きくなりがちであり、熱による造形物の変形を招くおそれがある。
また、例えばＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式による造形方法によって、入熱量を抑制して、溶融した金属粉末を開口部を形成する壁面に吹き付ける等によって開口部を塞ぐことも考えられる。この場合、ＴＩＧ溶接と比べて熱による変形の抑制が期待できるが、ＬＭＤ方式による積層造形方法では、無底の開口部の閉止が難しい。

本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、中空の内部空間に連通している開口部の閉止を容易化することを目的とする。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る造形物の製造方法は、
金属粉末を積層して、中空の内部空間に連通している開口部を有する造形物を形成するステップと、
前記開口部にプラグを装着するステップと、
前記開口部に装着した前記プラグを前記造形物に溶接するステップと、
を備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、中空の内部空間に連通している開口部を容易に閉止できる。

本開示の少なくとも一実施形態に係る造形物の製造方法を適用可能な装置である、三次元積層造形装置の全体構成を示す模式図である。 本開示の幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法における処理手順を示すフローチャートである。 造形物を形成するステップを実施することで得られた造形物の一例についての模式的な断面図である。 残留粉末を排出するステップにおいて、内部空間内の残留粉末を粉抜き開口部から造形物の外部に排出する様子を示す図である。 プラグを装着するステップにおいて、粉抜き開口部にプラグを装着する様子を示す図である。 プラグを造形物に溶接するステップを実施した後の造形物の模式的な断面図である。 粉抜き開口部近傍を示す図である。 粉抜き開口部近傍を示す図である。 粉抜き開口部近傍を示す図である。 粉抜き開口部が存在していた領域の近傍を示す図である。 造形物を形成するステップにおける他の実施形態に関し、粉抜き開口部近傍を示す図である。 造形物を形成するステップにおけるさらに他の実施形態に関し、粉抜き開口部近傍を示す図である。 造形物を形成するステップにおけるさらに他の実施形態に関し、粉抜き開口部近傍を示す図である。 造形物を形成するステップにおけるさらに他の実施形態に関し、粉抜き開口部近傍を示す図である。 造形物を形成するステップにおけるさらに他の実施形態に関し、粉抜き開口部近傍を示す図である。 造形物を形成するステップにおけるさらに他の実施形態に関し、粉抜き開口部近傍を示す図である。 造形物の一例としての、ガスタービン燃焼器の燃料ノズルの断面を模式的に示した図である。 造形物の他の一例としての、産業用ガスタービンの高温部品についての模式的な断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

（三次元積層造形装置１について）
図１は、本開示の少なくとも一実施形態に係る造形物の製造方法を適用可能な装置である、三次元積層造形装置１の全体構成を示す模式図である。
三次元積層造形装置１は、層状に敷設された原料粉末である金属粉末にエネルギービームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状の造形物１５を製造するための装置であり、パウダーベッド法による積層造形を行うことができる。
図１に示す三次元積層造形装置１は、例えば、ガスタービンや蒸気タービン等のタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒やノズル等の部品を形成することができる。

図１に示す三次元積層造形装置１は、金属粉末３０の貯蔵部３１を備える。図１に示す三次元積層造形装置１は、貯蔵部３１から供給された金属粉末３０による粉末ベッド８が形成されるベースプレート２、を有する粉末ベッド形成部５を備える。図１に示す三次元積層造形装置１は、粉末ベッド８に対して光ビーム９ａを照射可能な光ビーム照射ユニット９を備える。

ベースプレート２は、造形物１５が造形される土台となる。ベースプレート２は、鉛直方向に沿った中心軸を有する略筒形状のシリンダ４の内側に、駆動シリンダ２ａによって昇降可能に配置されている。ベースプレート２上に形成される粉末ベッド８は、造形作業の間、各サイクルにてベースプレート２が図１の矢印ａで示すように下降する毎に、上層側に粉末が敷設されることにより新たに形成される。

尚、図１に示す三次元積層造形装置１ではエネルギービームとして光ビームを照射する場合を示すが、電子ビーム等の他の形態のエネルギービームを使用してもよい。

図１に示す三次元積層造形装置１は、ベースプレート２上に金属粉末３０を敷設して粉末ベッド８を形成するための粉末敷設ユニット１０を備える。粉末敷設ユニット１０は、貯蔵部３１からベースプレート２の上面側に金属粉末３０を供給し、その表面を平坦化することによって、ベースプレート２の上面全体に亘って略均一な厚さを有する層状の粉末ベッド８を形成する。各サイクルで形成された粉末ベッド８には、光ビーム照射ユニット９から光ビーム９ａが照射されることによって選択的に固化され、次サイクルにて、粉末敷設ユニット１０によって再び上層側に金属粉末３０が敷設されることで、新たな粉末ベッド８が形成されることによって、層状に積み重ねられていく。

パウダーベッド法による積層造形では、造形物１５の内部に中空の内部空間１７が存在する場合、造形物１５の形成後に、内部空間１７に金属粉末３０が残留するため、残留した金属粉末（残留粉末３３）を造形物１５の外部に排出することが望ましい。
例えば内部空間１７に連通する開口部２０であって造形物１５の使用時に必要とされる、後述する必要開口部２１が造形物１５に設けられている場合、必要開口部２１から残留粉末３３を排出できる。

造形物１５に必要開口部２１が設けられていない場合や、必要開口部２１が設けられていても必要開口部２１からでは残留粉末３３の排出が不十分な場合には、内部空間１７に連通する開口部２０であって残留粉末３３を排出させるための粉抜き開口部２３が必要となる。粉抜き開口部２３の大きさは、例えば直径として２ｍｍ程度以上の大きさであれば残留粉末を排出できる。
しかし、粉抜き開口部２３が残ったままでは造形物１５の使用時に不都合となるのであれば、残留粉末３３の排出後に粉抜き開口部２３を塞ぐ必要がある。例えば粉抜き開口部２３が連通する内部空間１７が、後述するように造形物１５内に形成された流体の流路であって、該流路の流路入口及び流路出口以外で該流路からの流体の漏れが許容されない場合、粉抜き開口部２３は閉止しなければならない。なお、流路入口及び流路出口は、必要開口部２１に該当する。

例えば、該流路を流通する流体の圧損抑制の観点から、粉抜き開口部２３を閉塞した部分（閉塞部分）において、圧損に無視できない程度の影響を与えるような凹凸が該流路に面して生じないようにすることが望ましい。すなわち、閉塞部分の内部空間１７側の表面が平滑であることが望ましい場合がある。しかし、閉塞部分の内部空間１７側の表面を後から加工することは困難である場合が多く、閉塞部分の内部空間１７側の表面を観察することが困難である場合もある。
しかし、例えばＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接で粉抜き開口部２３を塞ぐ場合、閉塞部分の内部空間１７側の表面の平面度を確保することは困難である。また、ＴＩＧ溶接で粉抜き開口部２３を塞ぐ場合、造形物１５への入熱が比較的大きくなりがちであり、熱による造形物１５の変形を招くおそれがある。

また、例えば造形物１５が高温環境下で用いられる部品であれば、耐熱性の観点から粉抜き開口部２３の閉塞に用いられる材料は、造形物１５と同じ材料であることが望ましい。すなわち、粉抜き開口部２３の閉塞に用いられる材料が造形物１５と同じ材料であることが望ましい場合がある。
しかし、例えばＴＩＧ溶接で粉抜き開口部２３を塞ぐ場合、閉塞に用いられるワイヤ等の溶加材の材料に限りがあるため、造形物１５と同じ材料で開口部を塞ぐことができない場合がある。

また、例えばＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式による造形方法によって、入熱量を抑制して、溶融した金属粉末を粉抜き開口部２３を形成する壁面に吹き付ける等によって粉抜き開口部２３を塞ぐことも考えられる。この場合、ＴＩＧ溶接と比べて熱による変形の抑制が期待できるが、ＬＭＤ方式による積層造形方法では、無底の開口部の閉止が難しい。

そこで、本開示の幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法では、以下のようにして造形物を製造することで、上述したような不都合を解消するようにしている。以下、本開示の幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法について説明する。

（フローチャート）
図２は、本開示の幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法における処理手順を示すフローチャートである。
幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法は、造形物を形成するステップＳ１と、プラグを形成するステップＳ３と、残留粉末を排出するステップＳ５と、プラグを装着するステップＳ７と、プラグを造形物に溶接するステップＳ９と、を備える。なお、幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法は、凹部を充填物で埋めるステップＳ１１をさらに備えていてもよい。
以下、各ステップの概要について説明する。

（造形物を形成するステップＳ１）
造形物を形成するステップＳ１は、例えば上述した三次元積層造形装置１を用いて、金属粉末３０を積層して、中空の内部空間１７に連通している開口部２０（粉抜き開口部２３）を有する造形物１５を形成するステップである。
図３Ａは、造形物を形成するステップＳ１を実施することで得られた造形物１５の一例についての模式的な断面図である。図３Ａでは、造形物１５の造形方向（積層方向）に沿って造形物１５を切断した断面を模式的に表している。なお、造形方向は、図１における図示上側に向かう方向である。

造形物を形成するステップＳ１では、例えば図３Ａに示すように、内部空間１７と、内部空間１７に連通している粉抜き開口部２３とを有する造形物１５を形成する。造形物を形成するステップＳ１を実施することで得られた造形物１５の内部空間１７には、残留粉末３３が残留している。

粉抜き開口部２３を造形物１５の外側から内側に向かって見たときの粉抜き開口部２３の形状は、例えば円形であってもよく、楕円形であってもよく、矩形であってもよい。すなわち、粉抜き開口部２３を造形物１５の外側から内側に向かって見たときの粉抜き開口部２３の形状は、特に問わない。
粉抜き開口部２３を造形物１５の外側から内側に向かって見たときの粉抜き開口部２３の最小寸法は、残留粉末３３の排出の観点から、例えば１．５ｍｍ以上であることが望ましい。
なお、本明細書において、粉抜き開口部２３を造形物１５の外側から内側に向かって見たときの方向、すなわち、粉抜き開口部２３が内部空間１７に開口する内側開口端２３ａと造形物１５の外部に開口する外側開口端２３ｂとが離間している方向を粉抜き開口部２３に関する造形物１５の厚さ方向、又は、単に造形物１５の厚さ方向とも称する。

（プラグを形成するステップＳ３）
プラグを形成するステップＳ３は、例えば上述した三次元積層造形装置１を用いて、金属粉末３０を積層して、プラグ４０を形成するステップである。なお、プラグ４０は、後述するように粉抜き開口部２３を閉止するためのプラグである。
プラグを形成するステップＳ３では、造形物１５の造形条件と同条件でプラグ４０を形成してもよい。なお、造形条件としては、例えば光ビーム９ａの出力、光ビーム９ａの走査速度、光ビーム９ａのビーム径、金属粉末３０を粉末ベッド８上に均一に敷設する際の金属粉末３０の積層厚さ（ベースプレート２の下降量）等が挙げられる。
また、プラグを形成するステップＳ３では、造形物１５の形成と同時にプラグ４０を形成してもよい。すなわち、プラグを形成するステップＳ３では、例えば図１に示すように、造形物１５が形成される粉末ベッド８と同一の粉末ベッド８内でプラグ４０を形成することで、造形物１５の形成と同時にプラグ４０を形成してもよい。

（残留粉末を排出するステップＳ５）
残留粉末を排出するステップＳ５は、造形物を形成するステップＳ１の後で、内部空間１７に残留する金属粉末（残留粉末３３）を開口部２０（粉抜き開口部２３）から造形物１５の外部に排出するステップである。
図３Ｂは、残留粉末を排出するステップＳ５において、内部空間１７内の残留粉末３３を粉抜き開口部２３から造形物１５の外部に排出する様子を示す図である。図３Ｂに示すように、残留粉末を排出するステップＳ５では、内部空間１７内の残留粉末３３を粉抜き開口部２３から造形物１５の外部に排出する。

（プラグを装着するステップＳ７）
プラグを装着するステップＳ７は、開口部２０（粉抜き開口部２３）にプラグ４０を装着するステップである。
図３Ｃは、プラグを装着するステップＳ７において、粉抜き開口部２３にプラグ４０を装着する様子を示す図である。
図４Ａは、粉抜き開口部２３近傍を示す図であり、粉抜き開口部２３にプラグ４０を装着する様子を示す。
図４Ｂは、粉抜き開口部２３近傍を示す図であり、粉抜き開口部２３にプラグ４０を装着した様子を示す。
プラグを装着するステップＳ７では、例えばプラグを形成するステップＳ３で形成したプラグ４０を粉抜き開口部２３に装着する。なお、プラグを装着するステップＳ７では、上述したプラグを形成するステップＳ３で形成したプラグ４０ではなく、例えば鋳造等によって形成したプラグ４０を粉抜き開口部２３に装着してもよい。

（プラグを造形物に溶接するステップＳ９）
プラグを造形物に溶接するステップＳ９は、開口部２０（粉抜き開口部２３）に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接するステップである。
図４Ｃは、粉抜き開口部２３近傍を示す図であり、光ビーム９０等のエネルギービームによって、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接する様子を示す。
図３Ｄは、プラグを造形物に溶接するステップＳ９を実施した後の造形物１５の模式的な断面図である。
図４Ｄは、粉抜き開口部２３が存在していた領域の近傍を示す図であり、ステップＳ９を実施した後の造形物１５の断面を模式的に示している。

プラグを造形物に溶接するステップＳ９では、光ビーム９０等のエネルギービームによって、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接することで、プラグ４０と造形物１５とを一体化する。このようにして粉抜き開口部２３を閉塞した部分を閉塞部分１９と称する。なお、図３Ｄ及び図４Ｄでは、粉抜き開口部２３の内周壁に相当する位置を２点鎖線で示している。

上述したように、幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法によれば、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接することで、中空の内部空間１７に連通している粉抜き開口部２３を容易に閉止できる。
すなわち、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接することで、例えばＴＩＧ溶接によって粉抜き開口部２３を塞いだ場合と比べて、閉塞部分１９の内部空間１７側の表面（内表面）１９ａを平滑にすることができる。
また、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接することで、例えばＴＩＧ溶接によって粉抜き開口部２３を塞いだ場合と比べて、造形物１５への入熱を抑制でき、熱による造形物１５の変形を抑制できる。
プラグ４０の材料を造形物１５と同じ材質とし、例えば光ビーム等のエネルギービームによって粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接すれば、造形物１５と同じ材料で粉抜き開口部２３を閉塞できる。

上述したように、幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法によれば、残留粉末を排出するステップＳ５を備えるので、内部空間１７に残留する残留粉末３３を粉抜き開口部２３から造形物１５の外部に排出できる。

上述したように、幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法によれば、プラグを形成するステップＳ３を備えるので、造形物１５の形成に用いる金属粉末３０でプラグ４０を形成できる。これにより、プラグ４０の材料と造形物１５の材質とを同じにできる。したがって、造形物１５が例えば高温環境下で用いられる部品である場合のように、粉抜き開口部２３の閉塞に用いられる材料が造形物１５と同じ材料であることが望ましい場合に、上述した幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法は適している。
上述したように、プラグを形成するステップＳ３において、造形物１５の造形条件と同条件でプラグ４０を形成してもよい。これにより、例えば表面粗さや寸法公差等の品質を造形物１５とプラグ４０とで同等に保つことができる。

仮に、造形物を形成するステップＳ１において造形物１５に粉抜き開口部２３を形成しない場合、造形物１５の形成後に造形物１５に粉抜き開口部２３を形成する必要がある。その場合に、造形物１５が耐熱合金等の高強度部材である場合には、一般的な切削加工では造形物１５に粉抜き開口部２３を形成することが困難である。そのため、造形物１５が耐熱合金等の高強度部材である場合には、例えば放電加工によって造形物１５に粉抜き開口部２３を形成することとなる。
しかし、放電加工では、加工用の電極が摩耗するため、加工時における電極の位置を適宜修正する必要がある。そのため、放電加工によって造形物１５に粉抜き開口部２３を形成する場合、放電加工の実施時期によって粉抜き開口部２３の寸法が僅かに異なることが考えられる。したがって、粉抜き開口部２３にプラグ４０が装着できないことや、粉抜き開口部２３とプラグ４０との隙間が大きすぎて粉抜き開口部２３にプラグ４０を保持し難くなってプラグ４０が脱落し易くなるなどの不都合が生じるおそれがある。

なお、積層造形によって造形物１５とプラグ４０とを形成する場合であっても、例えば光ビームの焦点が時間の経過とともにずれるおそれがあり、造形物１５とプラグ４０との形成タイミングが、例えば週単位や月単位で異なると、粉抜き開口部２３の寸法精度とプラグ４０の寸法精度とが同等に保たれないおそれもある。

幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法によれば、プラグを形成するステップＳ３において、造形物１５の形成と同時にプラグ４０を形成することで、すなわち、造形物１５が形成される粉末ベッド８と同一の粉末ベッド８内でプラグ４０を形成することで、例えば表面粗さや寸法公差等の品質を造形物１５とプラグ４０とで同等に保つことができる。したがって、粉抜き開口部２３の寸法精度とプラグ４０の寸法精度とを同等にできる。これにより、粉抜き開口部２３やプラグ４０を形成後に寸法の調整のための加工等を行わなくても、粉抜き開口部２３の寸法精度とプラグ４０の寸法精度とが同等でないことに起因して粉抜き開口部２３にプラグ４０が装着できないことや、粉抜き開口部２３とプラグ４０との隙間が大きすぎて粉抜き開口部２３にプラグ４０を保持し難くなってプラグ４０が脱落し易くなるなどの不都合が生じ難くなる。
なお、粉抜き開口部２３の寸法及び公差と、プラグ４０の寸法及び公差は、設計要求値や材料、嵌合方法（後述するテーパの有無等）、三次元積層造形装置１の加工精度等を勘案して事業者が適宜決定する必要があるが、一旦適切な値に設定できれば、その後、各値を設定し直す必要性は比較的低い。

（造形物を形成するステップＳ１における他の実施形態について）
図４Ｅは、造形物を形成するステップＳ１における他の実施形態に関し、粉抜き開口部２３近傍を示す図である。図４Ｅは、図４Ａに相当する図である。
造形物を形成するステップＳ１では、図４Ｅに示すように、造形物１５の厚さ方向に沿って内側に向かうにつれて大きさが漸減するように開口部２０（粉抜き開口部２３）を形成するようにしてもよい。すなわち、粉抜き開口部２３は、造形物１５の厚さ方向に沿った断面形状がいわゆるテーパ形状であってもよい。
造形物１５の厚さ方向に沿った粉抜き開口部２３の断面形状がテーパ形状となる場合、プラグ４０も同様に断面形状がテーパ形状であるとよい。

これにより、造形物１５の厚さ方向の位置に関わらず粉抜き開口部２３の大きさが変わらない場合と比べて、粉抜き開口部２３やプラグ４０の寸法精度が低下しても、粉抜き開口部２３にプラグ４０を装着する際の支障が生じ難くなる。

（造形物を形成するステップＳ１におけるさらに他の実施形態について）
図５Ａ乃至図５Ｅは、造形物を形成するステップＳ１におけるさらに他の実施形態に関し、粉抜き開口部２３近傍を示す図である。
造形物を形成するステップＳ１では、凹部２５と、凹部２５の底面２５ａよりも寸法が小さく底面２５ａに設けられた開口部２０（粉抜き開口部２３）と、を有するように造形物１５を形成してもよい。

発明者らが鋭意検討した結果、粉抜き開口部２３近傍の造形物１５の肉厚が比較的厚い場合に、凹部２５を設けずに粉抜き開口部２３を設けた場合、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接しようとすると、造形物１５のうちプラグ４０を取り囲む周囲の部分の熱容量がプラグ４０の熱容量に対して大きくなり過ぎる。そのため、溶接時にプラグ４０を取り囲む周囲の部分が溶融する前にプラグの温度が上がり過ぎてプラグが溶け落ちてしまうおそれがあることが判明した。
上述したように、造形物１５に凹部２５を設け、この凹部２５の底面２５ａに粉抜き開口部２３を形成することで、凹部２５を設けていない場合と比べて、造形物１５のうちプラグ４０を取り囲む周囲の部分の熱容量を小さくすることができる。これにより、粉抜き開口部２３近傍の造形物１５の肉厚が比較的厚い場合であっても、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接できる。

上述したように凹部２５を形成した場合における、造形物の製造方法の各ステップについて説明する。

造形物を形成するステップＳ１では、例えば図５Ａに示すように、凹部２５と、底面２５ａに設けられた粉抜き開口部２３と、を有するように造形物１５を形成する。なお、造形物を形成するステップＳ１では、凹部２５を造形物１５の外側から内側に向かって見たときの粉抜き開口部２３の寸法が底面２５ａの寸法よりも小さくなるように粉抜き開口部２３を形成する。

プラグを形成するステップＳ３では、上述した実施形態と同様に、造形物１５の造形条件と同条件でプラグ４０を形成してもよい。また、プラグを形成するステップＳ３では、上述した実施形態と同様に、造形物１５が形成される粉末ベッド８と同一の粉末ベッド８内でプラグ４０を形成することで、造形物１５の形成と同時にプラグ４０を形成してもよい。

残留粉末を排出するステップＳ５では、上述した実施形態と同様に、内部空間１７内の残留粉末３３を粉抜き開口部２３から造形物１５の外部に排出する。

プラグを装着するステップＳ７では、図５Ｂに示すように、例えばプラグ４０を形成するステップＳ３で形成したプラグ４０を粉抜き開口部２３に装着する。なお、プラグを装着するステップＳ７では、上述したプラグを形成するステップＳ３で形成したプラグ４０ではなく、例えば鋳造等によって形成したプラグ４０を粉抜き開口部２３に装着してもよい。

プラグを造形物に溶接するステップＳ９では、図５Ｃに示すように、光ビーム９０等のエネルギービームによって、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接することで、図５Ｄに示すように、プラグ４０と造形物１５とを一体化する。なお、図５Ｄでは、粉抜き開口部２３の内周壁に相当する位置を２点鎖線で示している。

凹部２５を形成した場合、プラグを造形物に溶接するステップＳ９の実施後には、図５Ｄに示すように造形物１５には凹部２５が残った状態となる。
そこで、凹部２５を形成した場合、幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法は、プラグを造形物に溶接するステップＳ９の後で、凹部を充填物で埋めるステップＳ１１をさらに備えるとよい。

凹部を充填物で埋めるステップＳ１１では、例えば図５Ｅに示すように、凹部２５を充填物４５で充填する。凹部を充填物で埋めるステップＳ１１では、プラグを造形物に溶接するステップＳ９において既に粉抜き開口部２３が閉止されているので、底面２５ａに開口部２０が存在しない状態となっている。したがって、凹部を充填物で埋めるステップＳ１１では、例えばＴＩＧ溶接によって凹部２５を充填物４５で充填してもよく、例えばＬＭＤ方式による造形方法によって凹部２５を充填物４５で充填してもよい。
これにより、凹部２５を充填物４５で埋めて造形物１５の表面（外表面）１５ｂを平滑にすることができる。
なお、充填物４５の材料は、造形物１５と同じ材料であるとよいが、造形物１５とは異なる材料であってもよい。

（粉抜き開口部２３の寸法とプラグ４０の寸法との関係について）
幾つかの実施形態において、粉抜き開口部２３の最大寸法は、プラグ４０の最大寸法の１０５％以上１１０％以下であるとよい。より具体的には、粉抜き開口部２３に関する造形物１５の厚さ方向から見たときの粉抜き開口部２３の最大寸法は、該厚さ方向から見たときのプラグ４０の最大寸法の１０５％以上１１０％以下であるとよい。
例えば、粉抜き開口部２３に関する造形物１５の厚さ方向から見たときの粉抜き開口部２３の形状が円形であれば、粉抜き開口部２３の直径は、プラグ４０の直径の１０５％以上１１０％以下であるとよい。
例えば、粉抜き開口部２３に関する造形物１５の厚さ方向から見たときの粉抜き開口部２３の形状が楕円形であれば、粉抜き開口部２３の長軸の長さは、プラグ４０の長軸の長さの１０５％以上１１０％以下であるとよい。
例えば、粉抜き開口部２３に関する造形物１５の厚さ方向から見たときの粉抜き開口部２３の形状が矩形であれば、粉抜き開口部２３の対角線の長さは、プラグ４０の対角線の長さの１０５％以上１１０％以下であるとよい。

すなわち、幾つかの実施形態において、造形物を形成するステップＳ１では、プラグ４０の最大寸法の１０５％以上１１０％以下の最大寸法を有する開口部２０（粉抜き開口部２３）を形成してもよい。
これにより、粉抜き開口部２３とプラグ４０との隙間が大きくなり過ぎないようにしつつ、粉抜き開口部２３にプラグ４０を容易に挿入し易くすることができる。

幾つかの実施形態において、粉抜き開口部２３に関する造形物１５の厚さ方向に沿った粉抜き開口部２３の寸法は、該厚さ方向に沿ったプラグ４０の寸法と実質的に同じであるとよい。これにより、内側開口端２３ａ及び外側開口端２３ｂにおけるプラグ４０との寸法の差を実質的になくすことができる。なお、プラグを造形物に溶接するステップＳ９の実施後に造形物１５の外表面１５ｂにおいて、閉塞部分１９が閉塞部分１９の周囲の部分よりも凹んでいる場合には、閉塞部分１９の外側の表面（外表面）１９ｂに肉を盛って、閉塞部分１９の周囲の部分の高さと合わせるようにしてもよい。

幾つかの実施形態において、プラグを造形物に溶接するステップＳ９では、内部空間１７に面した造形物１５の表面である造形物１５の内表面１５ａ及び閉塞部分１９の内表面１９ａのうちプラグ４０の造形物１５への溶接により熱の影響を受けた領域（熱影響領域）１８（図４Ｄ及び図５Ｅ参照）の平面度が０．３ｍｍ以下となるようにプラグ４０を造形物１５に溶接するとよい。
これにより、熱影響領域１８を平滑にすることができる。
特に、内部空間１７が造形物１５内に形成された流体の流路であれば、熱影響領域１８を平滑にすることで、流路を流通する流体の圧損を抑制できる。
なお、上記の平面度は、例えばＪＩＳ Ｂ ０６２１で規定する平面度である。

（造形物１５の例について）
図６は、造形物１５の一例としての、ガスタービン燃焼器の燃料ノズル７０の断面を模式的に示した図である。燃料ノズル７０は、円筒形状を有するノズル本体７１を有する。ノズル本体７１の先端側（図示上側）には、燃料を噴射するための噴射孔７２が少なくとも１つ設けられている。
図６に示す例では、ノズル本体７１は、中空構造を有し、内部空間７１ａが閉じられた空間とされる。そのため、図６に示す燃料ノズル７０を図１に示すような三次元積層造形装置１を用いて形成すると、内部空間７１ａに残留粉末３３が残留してしまう。
そこで、図６に示す例では、ノズル本体７１の例えば基端側（図示下側）に粉抜き開口部２３を設ける。これにより、粉抜き開口部２３から内部空間７１ａ内の残留粉末３３を外部に排出することができる。
なお、上述した幾つかの実施形態と同様に、残留粉末３３の排出後、粉抜き開口部２３にプラグ４０を装着して、プラグ４０をノズル本体７１に溶接すればよい。

図７は、造形物１５の他の一例としての、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒、分割環などの高温部品８０についての模式的な断面図である。
図７に示す例では、高温部品８０は、高温部品８０の冷却のために内部に冷却媒体ＣＡを流通させるための冷却流路８１が形成されている。すなわち、図７に示す例では、冷却流路８１は、上述した造形物１５の内部空間１７に該当する。
図７に示す例では、冷却流路８１は、外部からの冷却媒体ＣＡを冷却流路８１に流入させるための流路入口８１ａと、冷却流路８１を流通した冷却媒体ＣＡを外部に排出するための流路出口８１ｂとを有する。

例えば図７に示す高温部品８０では、冷却流路８１は、蛇行流路として形成されている。例えば図７に示す高温部品８０では、冷却流路８１のうち、冷却流路８１の中間部分８１ｄは、流路入口８１ａ及び流路出口８１ｂの双方から遠く、流路入口８１ａ及び流路出口８１ｂとの間に冷却流路８１の屈曲部８１ｃが存在する。そのため、中間部分８１ｄにおける残留粉末３３が流路入口８１ａや流路出口８１ｂから排出させることが難しい。
そこで、図７に示す例では、中間部分８１ｄの近傍であって高温部品８０の外表面８０ｂに比較的近い位置に粉抜き開口部２３を設ける。
すなわち、例えば図７に示す高温部品８０を製造する場合、造形物を形成するステップＳ１では、造形物である高温部品８０の内部を通過して流路入口８１ａから流路出口８１ｂまで延びる流路である冷却流路８１の途中に開口部２０（粉抜き開口部２３）を備えるように高温部品８０を形成するとよい。
これにより、粉抜き開口部２３から冷却流路８１内の残留粉末３３を外部に排出することができる。
なお、上述した幾つかの実施形態と同様に、残留粉末３３の排出後、粉抜き開口部２３にプラグ４０を装着して、プラグ４０を高温部品８０に溶接すればよい。
これにより、流路入口８１ａ及び流路出口８１ｂ以外で冷却流路８１からの冷却媒体ＣＡの漏れが許容されない場合であっても、粉抜き開口部２３を閉止できるので、流路入口８１ａ及び流路出口８１ｂ以外で冷却流路８１からの冷却媒体ＣＡの漏れを防止できる。

（実施例１）
上述した幾つかの実施形態に係る造形物の製造方法による実施例について説明する。
実施例１は、図４Ｅに示すような、粉抜き開口部２３及びプラグ４０がテーパ形状を有する場合の実施例である。実施例１において粉抜き開口部２３を形成した試験片は、図４Ｅに示すような板形状を有する試験片である。
実施例１における試験片の材質は、コバルト基合金である。
試験片の厚さｔＡは１．０ｍｍとした。
プラグ４０の厚さｔＢは１．０ｍｍとした。
粉抜き開口部２３の内側開口端２３ａにおける内径ＷＡ１は２．２ｍｍΦであり、外側開口端２３ｂにおける内径ＷＡ２は２．４ｍｍΦである。
プラグ４０の小径側の直径ＷＢ１は２．２ｍｍΦであり、大径側の直径ＷＢ２は２．４ｍｍΦである。
実施例１では、プラグを造形物に溶接するステップＳ９において、光ビームとしてのレーザービームの出力を４００Ｗとし、レーザービームの走査速度を７５ｍｍ／ｍｉｎとし、レーザービームのビーム径を１．０ｍｍとした。
上記条件によりプラグ４０を試験片に溶接することで、熱影響領域１８の平面度を０．３ｍｍ以下とすることができた。

（実施例２）
実施例２において粉抜き開口部２３を形成した試験片は、図５Ａに示すような凹部２５を有する試験片である。
実施例２における試験片の材質は、コバルト基合金である。
実施例２における試験片の厚さｔＡは５．０ｍｍとした。
実施例２における試験片の底面２５ａが形成された部位の厚さｔＣ、すなわち粉抜き開口部２３の厚さ方向の寸法は１．０ｍｍとした。
なお、実施例２における粉抜き開口部２３及びプラグ４０は、図４Ｅに示すようなテーパ形状を有する。
実施例２における粉抜き開口部２３の各部の寸法、及び、プラグ４０の各部の寸法は、実施例１と同じである。
実施例２における底面２５ａの外縁（底面２５ａと凹部２５のテーパ内周面２５ｂとの交差部）と粉抜き開口部２３の外側開口端２３ｂまでの距離ＬＡを２．０ｍｍとした。
実施例２におけるテーパ内周面２５ｂの傾斜角度θＡは７５度とした。なお、底面２５ａとテーパ内周面２５ｂとのなす角度θＡ’は１０５度である。
実施例２では、プラグを造形物に溶接するステップＳ９において、光ビームとしてのレーザービームの出力を６５０Ｗとし、レーザービームの走査速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとし、レーザービームのビーム径を１．０ｍｍとした。
上記条件によりプラグ４０を試験片に溶接することで、熱影響領域１８の平面度を０．３ｍｍ以下とすることができた。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る造形物の製造方法は、金属粉末３０を積層して、中空の内部空間１７に連通している開口部２０（粉抜き開口部２３）を有する造形物１５を形成するステップＳ１と、開口部２０（粉抜き開口部２３）にプラグ４０を装着するステップＳ７と、開口部２０（粉抜き開口部２３）に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接するステップＳ９と、を備える。

上記（１）の方法によれば、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接することで、中空の内部空間１７に連通している粉抜き開口部２３を容易に閉止できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、造形物を形成するステップＳ１の後で、内部空間１７に残留する金属粉末（残留粉末３３）を粉抜き開口部２３から造形物１５の外部に排出するステップＳ５をさらに備える。

上記（２）の方法によれば、内部空間１７に残留する残留粉末３３を粉抜き開口部２３から造形物１５の外部に排出できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、金属粉末３０を積層して、プラグ４０を形成するステップＳ３をさらに備えるとよい。

上記（３）の方法によれば、造形物１５の形成に用いる金属粉末３０でプラグ４０を形成できるので、プラグ４０の材料と造形物１５の材質とを同じにできる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の方法において、プラグを形成するステップＳ３では、造形物１５の造形条件と同条件でプラグ４０を形成してもよい。

上記（４）の方法によれば、造形物１５の造形条件と同条件でプラグ４０を形成することで、例えば表面粗さや寸法公差等の品質を造形物１５とプラグ４０とで同等に保つことができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）又は（４）の方法において、プラグを形成するステップＳ３では、造形物１５の形成と同時にプラグ４０を形成してもよい。

上記（５）の方法によれば、造形物１５の形成と同時にプラグ４０を形成することで、例えば表面粗さや寸法公差等の品質を造形物１５とプラグ４０とで同等に保つことができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの方法において、造形物を形成するステップＳ１は、凹部２５と、凹部２５の底面２５ａよりも寸法が小さく底面２５ａに設けられた開口部２０（粉抜き開口部２３）と、を有するように造形物１５を形成する。

上記（６）の方法によれば、造形物１５に凹部２５を設け、この凹部２５の底面２５ａに開口部２０（粉抜き開口部２３）を形成することで、凹部２５を設けていない場合と比べて、造形物１５のうちプラグ４０を取り囲む周囲の部分の熱容量を小さくすることができる。これにより、粉抜き開口部２３近傍の造形物１５の肉厚が比較的厚い場合であっても、粉抜き開口部２３に装着したプラグ４０を造形物１５に溶接できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の方法において、プラグを造形物に溶接するステップＳ９の後で、凹部を充填物で埋めるステップＳ１１をさらに備える。

上記（７）の方法によれば、凹部２５を充填物４５で埋めて造形物１５の表面（外表面）１５ｂを平滑にすることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの方法において、造形物を形成するステップＳ１は、造形物１５の厚さ方向に沿って内側に向かうにつれて大きさが漸減するように開口部２０（粉抜き開口部２３）を形成する。

上記（８）の方法によれば、粉抜き開口部２３がいわゆるテーパ形状を有することになるので、造形物１５の厚さ方向の位置に関わらず粉抜き開口部２３の大きさが変わらない場合と比べて、粉抜き開口部２３やプラグ４０の寸法精度が低下しても、粉抜き開口部２３にプラグ４０を装着する際の支障が生じ難くなる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの方法において、造形物を形成するステップＳ１は、プラグ４０の最大寸法の１０５％以上１１０％以下の最大寸法を有する開口部２０（粉抜き開口部２３）を形成する。

上記（９）の方法によれば、粉抜き開口部２３とプラグ４０との隙間が大きくなり過ぎないようにしつつ、粉抜き開口部２３にプラグ４０を容易に挿入し易くすることができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの方法において、プラグを造形物に溶接するステップＳ９は、内部空間１７に面した造形物１５の表面である造形物１５の内表面１５ａ及び閉塞部分１９の内表面１９ａのうちプラグ４０の造形物１５への溶接により熱の影響を受けた領域（熱影響領域）１８の平面度が０．３ｍｍ以下となるようにプラグ４０を造形物１５に溶接する。

上記（１０）の方法によれば、熱影響領域１８を平滑にすることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの方法において、造形物を形成するステップＳ１は、造形物１５の内部を通過して流路入口８１ａから流路出口８１ｂまで延びる流路である冷却流路８１の途中に開口部２０（粉抜き開口部２３）を備えるように造形物１５を形成する。

上記（１１）の方法によれば、流路入口８１ａ及び流路出口８１ｂ以外で冷却流路８１からの冷却媒体ＣＡの漏れが許容されない場合であっても、粉抜き開口部２３を閉止できるので、流路入口８１ａ及び流路出口８１ｂ以外で冷却流路８１からの冷却媒体ＣＡの漏れを防止できる。

１ 三次元積層造形装置
１５ 造形物
１７ 内部空間
２０ 開口部
２３粉抜き開口部
２５ 凹部
２５ａ 底面
３０ 金属粉末
３３ 残留粉末
４０ プラグ
４５ 充填物

Claims (11)

1. 金属粉末を積層して、中空の内部空間に連通している開口部を有する造形物を形成するステップと、
   前記開口部にプラグを装着するステップと、
   前記開口部に装着した前記プラグを前記造形物に溶接するステップと、
   を備える
   造形物の製造方法。
2. 前記造形物を形成するステップの後で、前記内部空間に残留する前記金属粉末を前記開口部から前記造形物の外部に排出するステップ
   をさらに備える
   請求項１に記載の造形物の製造方法。
3. 前記金属粉末を積層して、前記プラグを形成するステップ
   をさらに備える
   請求項１又は２に記載の造形物の製造方法。
4. 前記プラグを形成するステップは、前記造形物の造形条件と同条件で前記プラグを形成する
   請求項３に記載の造形物の製造方法。
5. 前記プラグを形成するステップは、前記造形物の形成と同時に前記プラグを形成する
   請求項３又は４に記載の造形物の製造方法。
6. 前記造形物を形成するステップは、凹部と、前記凹部の底面よりも寸法が小さく前記底面に設けられた前記開口部と、を有するように前記造形物を形成する
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の造形物の製造方法。
7. 前記プラグを前記造形物に溶接するステップの後で、前記凹部を充填物で埋めるステップ
   をさらに備える
   請求項６に記載の造形物の製造方法。
8. 前記造形物を形成するステップは、前記造形物の厚さ方向に沿って内側に向かうにつれて大きさが漸減するように前記開口部を形成する
   請求項１乃至７の何れか一項に記載の造形物の製造方法。
9. 前記造形物を形成するステップは、前記プラグの最大寸法の１０５％以上１１０％以下の最大寸法を有する前記開口部を形成する
   請求項１乃至７の何れか一項に記載の造形物の製造方法。
10. 前記プラグを前記造形物に溶接するステップは、前記内部空間に面した前記造形物の表面のうち前記プラグの前記造形物への溶接により熱の影響を受けた領域の平面度が０．３ｍｍ以下となるように前記プラグを前記造形物に溶接する
    請求項１乃至９の何れか一項に記載の造形物の製造方法。
11. 前記造形物を形成するステップは、前記造形物の内部を通過して流路入口から流路出口まで延びる流路の途中に前記開口部を備えるように前記造形物を形成する
    請求項１乃至１０の何れか一項に記載の造形物の製造方法。

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