JP2021188135A - 付加製造体の製造方法、および、付加製造体の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 付加製造体の加熱状態を保持しながら機械加工を施した場合でも、切り屑や凝着物を起因とする欠陥が生じるのを抑制できる付加製造体の製造方法を提供すること、加えて加熱状態にある付加製造体の表面酸化を抑制し、加工部の過加熱による酸化摩耗を抑制することを目的とする。【解決手段】 加熱状態の下で付加製造体を造形する付加製造工程と、前記加熱状態を維持したままで、前記付加製造体の加工箇所に固体二酸化炭素粉末を噴射しながら前記付加製造体を加工する機械加工工程と、を有することを特徴とする付加製造体の製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、超硬合金やサーメット等の、難切削材料に好適な付加製造体の製造方法、および、製造装置に関する。

付加製造体の製造方法としては、基板に供給される原料粉末を、熱源によって溶融、凝固させることを繰り返して三次元形状の付加製造体を得る方法がある。このような付加製造方法であれば、ネットシェイプまたはニアネットシェイプで三次元形状の製品を得ることができる。

付加製造方法により得られる付加製造体は、設計寸法に近い形状を得るニアネットシェイプを形成できるが、付加製造体のままでは、切削や塑性加工で得られる寸法精度、表面粗さには到達できない。したがって、付加製造方法は用途によっては後の工程として機械加工が必要であり、付加製造方法によるニアネットシェイプの利益を享受するためには、付加製造体に亀裂や割れなどの欠陥を生じさせることなく、付加製造工程から機械加工までが実行される必要がある。そこで、例えば特許文献１では、造形中の固化層の表面温度を調整しながら切削加工を行い、造形物の残留応力を制御し、造形物の変形を抑制することが提案されている。

また、付加製造では、高強度、高耐食など優れた特性を有する材料が適用されることが多いが、これら材料から構成される付加製造体の加工性は劣り、所望の形状を能率よく得ることが困難であった。機械加工として、例えば切削加工が掲げられるが、付加製造体が難切削材料から構成されると、加工熱や反応熱により工具の寿命が短く、能率が低い加工が行われる。さらに、一般的に無理な切削状態を継続することで切削中に工具の異常摩耗が生じ、切削抵抗や切削温度の上昇が起こるなどして、被加工物（被削材）にも欠陥（表面キズ、亀裂や割れ）が生じるおそれがある。

特許６２９５００１号公報

付加製造体に機械加工（以下、切削加工を例にとる。）を行う際、上述したように造形物に亀裂や割れなどの欠陥を生じさせることなく切削加工が実行される必要がある。この点で特許文献１のように造形物の表面温度を調整しながら切削加工を行うことは一つの手段であるが、造形物の温度が高くなると切り屑や凝着物が加工面に付着し、それが取り込まれて造形物の表面欠陥になることがある。また、造形物が超硬合金やサーメットといった難切削材料になると、加工熱や反応熱がより高温となり酸化反応により工具側に欠陥が生じ易くなる。

そこで本発明は、付加製造体の加熱状態を保持しながら機械加工を施した場合でも、切り屑や凝着物を起因とする欠陥が生じるのを抑制できる付加製造体の製造方法を提供すること、加えて加熱状態にある付加製造体の表面酸化を抑制し、加工部の過加熱による酸化摩耗を抑制することを目的とする。また本発明は、そのような製造方法を実現できる製造装置を提供することを目的とする。

本発明の付加製造体の製造方法（以下、単に付加製造方法と言うことがある）は、加熱状態の下で付加製造体を造形する付加製造工程と、前記加熱状態を維持したままで、前記付加製造体の加工箇所に固体二酸化炭素粉末を噴射しながら前記付加製造体を加工する機械加工工程と、を有することを特徴とする付加製造体の製造方法である。
この製造方法によれば、加熱状態を維持したまま付加製造体を機械加工する際に、加工部に固体二酸化炭素の粉末を噴射する。これにより当該粉末が瞬時に昇華しガス化し、このときの体積膨張による圧力を利用して切り屑や凝着物を排除し欠陥が生じるのを抑制できる。また、体積膨張が起こると加工部の酸素濃度が低減することにより反応熱が下がり酸化反応による工具側の欠陥も抑制できるものである。

また、前記付加製造体を構成する材料の融点をＭｐ（℃）とすると、前記付加製造時の加熱状態の温度は１／６Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下であり、前記機械加工時の加熱状態の温度は、１／１０Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の温度であることが好ましい。

また、前記付加製造工程と前記機械加工工程が複数回繰り返され、複数回繰り返される前記付加製造工程と前記機械加工工程において、前記加熱状態が維持されることが好ましい。

また、前記付加製造工程に先立って、前記付加製造体が造形される基材を前記加熱状態になるまで加熱する予熱工程を有することが好ましい。

また、前記付加製造体は、被削性指数が５０以下の難切削材料から構成されることが好ましい。

また、前記加熱状態は、高周波誘導加熱、半導体レーザ、加熱気体のいずれか一種により実現されることが好ましい。

また、前記付加製造工程において、基材に対し、連続的または断続的に供給される原料粉末を溶融し、凝固することで前記付加製造体が造形されることが好ましい。

また、前記機械加工工程は、セラミックス製の工具による加工を含むことが好ましい。

また本発明は、付加製造体を造形する造形部と、前記付加製造体を機械加工する加工部と、前記付加製造体を加熱する加熱部と、前記付加製造体の加工箇所に前記固体二酸化炭素粉末を噴射するための噴射部と、前記造形部と前記加工部および前記加熱部との動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする付加製造体の製造装置である。

また、前記加熱部は、高周波誘導加熱、半導体レーザ、加熱気体のいずれか一種により前記付加製造体を加熱することが好ましい。

本発明によれば、付加製造体の加熱状態を保持しながら機械加工を施した場合でも、切り屑や凝着物を起因とする欠陥が生じるのを抑制できる付加製造体の製造方法を提供することができる。また本発明は、そのような製造方法を実現できる製造装置を提供することができる。

本実施形態に係る付加製造方法における主要工程を示すフロー図である。 （ａ）は本実施形態に係る付加製造方法の主要工程における経過時間と温度の関係の一例を示し、（ｂ）は本実施形態に係る付加製造方法の主要工程における経過時間と温度の関係の他の例を示し、（ｃ）は本実施形態に係る付加製造方法の主要工程における経過時間と温度の関係のさらに他の例を示す。 同じく（ａ）は本実施形態に係る付加製造方法の主要工程における経過時間と温度の関係の一例を示し、（ｂ）は本実施形態に係る付加製造方法の主要工程における経過時間と温度の関係の他の例を示し、（ｃ）は本実施形態に係る付加製造方法の主要工程における経過時間と温度の関係のさらに他の例を示す。 本実施形態に係る付加製造装置の概略構成を示す平面図である。 本実施形態に係る付加製造装置の主要部を示し、（ａ）は基材の取り付け前を示し、（ｂ）は基材を取り付けた後に基材を予熱する工程を示す。 実施形態に係る付加製造装置の主要部を示し、（ａ）は付加製造工程を示し、（ｂ）は機械加工工程を示し、（ｃ）は加工箇所に固体二酸化炭素粉末を噴射する様子を示す。 固体二酸化炭素粉末の噴射有無におけるエンドミルの損傷形態を被削材温度毎に比較して示した写真である。 固体二酸化炭素粉末の噴射有無におけるエンドミルの摩耗幅と被削材温度との関係を比較して示した図である。 固体二酸化炭素の噴射有無における加工面性状を被削材温度毎に比較して示した写真である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず初めに、付加製造方法の実施形態について説明する。次に、付加製造装置および付加製造装置を用いた付加製造体の製造方法について説明する。

＜付加製造方法＞
本実施形態に係る付加製造方法は、図１に示すように基材の予熱工程（Ｓ１０１）と、付加製造工程（Ｓ１０３）と、機械加工工程（Ｓ１０５）と、冷却工程（Ｓ１０７）と、を備える。
本実施形態に係る付加製造方法は、付加製造工程（Ｓ１０３）における加熱状態が機械加工工程（Ｓ１０５）を終えるまで維持される。また、機械加工工程（Ｓ１０５）では、加工箇所６０に固体二酸化炭素の粉末５５（ドライアイス粉末）を噴射しながら、付加製造体７を機械加工する。
なお、予熱工程（Ｓ１０１）と冷却工程（Ｓ１０７）とを設定するかは任意であり、設定の有無は特に限定しない。
以下、各工程について順に説明する。

（基材の予熱工程（Ｓ１０１））
はじめに、基材３について説明し、本発明の好ましい形態として基材３を予熱する理由、基材３を加熱する手段、予熱する温度の順で説明する。
本実施形態における基材３は、次の付加製造工程で付加製造体７が造形される対象である。供給される原料粉末５は、熱エネルギーが加えられることで溶融するとともに基材３の表面で冷却、凝固される。原料粉末５の供給、溶融、冷却、凝固を繰り返すことにより付加製造体７の前駆体が積層され、最終的には所望する形状の付加製造体７が得られる。

基材３は、供給される原料粉末５が溶融、凝固する対象であり、基材３と造形される当初の前駆体との間の温度勾配が大きいと、生じる熱応力および残留応力により前駆体の変形を無視できなくなる場合がある。また、例えば付加製造体７が、超硬合金からなる場合には、超硬合金は高い強度を有する一方、靭性が低いため、付加造形時に基材３と前駆体の界面で剥離の発生が懸念される。そこで、付加製造工程に先立って基材３を加熱する予熱を行うことが好ましい。予熱を行うことで熱応力による変形と残留応力の緩和を図ることができる。本明細書でいう「基材」とは、例えば、付加製造方法で製造された付加製造体であってもよいが、特に限定しない。例えば、鋳造や鍛造により製造されたものや焼結により製造されたものでも良い。

基材３を予熱する手段は、その目的を達成できる限り限定されない。例えば、高周波誘導加熱、半導体レーザ、加熱気体、ガスバーナー、赤外線電気ヒーター、加熱炉、電子ビームまたはレーザの照射、ハロゲンランプ照射による加熱、ホットプレートのような電熱線を熱源とした加熱方式などによって、基材３を加熱できる。これら手段を単独で用いて加熱してもよいし、併用して加熱してもよい。この加熱手段は、次の付加製造工程Ｓ１０３および機械加工工程Ｓ１０５における加熱状態の維持にも適用できる。

本実施形態は、好ましい例として、付加製造工程Ｓ１０３および機械加工工程Ｓ１０５においても、予熱工程Ｓ１０１による加熱状態、具体的には加熱温度を維持する。
安定して加熱温度を維持するためには、以上の加熱手段の中で高周波誘導加熱によるエネルギー投入が効果的である。これは、対象物内において、渦電流と金属の電気抵抗によるジュール熱が発生し、金属の自己発熱が起こるため、熱容量の大きい部材であっても、十分な加熱が可能である。特に、加熱温度を維持する部分以外を断熱材で覆うことで、加熱温度の維持を安定させることができる。対象物を外部から加熱する方法である他の加熱方法は、熱容量の小さい部材の加熱においては十分なエネルギーを投入できる。

予熱工程Ｓ１０１における加熱温度は、その目的を達成することができる限り限定されない。
但し、難切削材料を安定して造形するためには、付加製造中の付加製造体７の温度制御が重要である。付加製造中の急冷時の熱応力勾配を緩やかにし、ひずみの蓄積を緩和するためには、付加製造体７を構成する材料の融点をＭｐ（℃）とすると１／６Ｍｐ以上の温度に加熱し維持することが好ましい。この温度域では、転移の移動が起こり易いため、ひずみは蓄積されにくいので欠陥が生じにくい。予熱工程における加熱温度は、必要以上に高くする必要はなく、加熱温度は５／６Ｍｐ以下にすることができる。好ましい加熱温度は１／３Ｍｐ〜３／４Ｍｐである。さらに、好ましい加熱温度は２／５Ｍｐ〜３／４Ｍｐである。
付加製造体が超硬合金（融点Ｍｐはおよそ１４００℃前後である。）から構成される場合には、予熱工程における加熱温度は、５００℃（５／１４Ｍｐ）以上であることが好ましく、より好ましい加熱温度は、６００℃（３／７Ｍｐ）以上であり、さらに好ましい加熱温度は、６５０〜９００℃である。なお、加熱温度の維持と許容範囲については後述する。

基材３を構成する材料は、その目的を達成することができる限り限定されず、金属材料、セラミックス材料を用いることができる。ただし、高周波誘導加熱により加熱する場合には、高周波誘導加熱により加熱され得る材料を用いることになる。したがって、基材３は、基本的には金属材料で構成されることが好ましく、その中でも加熱温度の範囲において、耐性があるのに加えて加熱による膨張収縮の小さい材料が好ましい。具体的には、Ｎｉ基合金、特にＮｉ基超合金、Ｃｏ基合金、特にＣｏ基超合金、Ｃｒ基合金、Ｍｏ基合金、Ｆｅ基超合金が好ましい。

（付加製造工程（Ｓ１０３））
次に、付加製造工程について説明する。
付加製造工程は、基材３の上に三次元の付加製造体７を造形する。付加製造の方式は、特に限定されないが、例えば、レーザメルトデポジションなどの指向性エネルギー堆積（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式、粉末床溶融結合方式、プラズマ粉体肉盛などを用いることができる。

指向性エネルギー堆積方式による付加製造は、原料粉末５を、レーザ、電子ビーム、プラズマ、アークのいずれかの熱源を用いて溶融させ、溶融した原料粉末５を基材の表面に付着させて凝固させる手順を、位置を移動させながら繰り返す。さらに、基材３に造形された前駆体の表面に、原料粉末５の溶融、凝固の手順を、位置を移動させながら繰り返すことで、所望する三次元の付加製造体７を造形する。言い換えれば、連続的もしくは断続的に供給される原料粉末５を溶融し、凝固することで付加製造体７が造形される。

付加製造工程は、原料粉末５を溶融、凝固する手順を、位置を移動させながら繰り返す。溶融部分（溶融池）と凝固したその周囲との間に生じる温度勾配による熱応力によって欠陥が発生するおそれがある。例えば、付加製造体７が超硬合金からなる場合には、超硬合金は高い強度を有する一方、靭性が低いため、熱応力による欠陥が発生しやすい。
そこで、望ましい実施形態では、付加製造工程においても、予熱工程Ｓ１０１による加熱状態を維持する。予熱工程Ｓ１０１を行わない場合には、付加製造の開始に伴って付加製造体を加熱し、付加製造工程を終えるまでその加熱状態を維持する。
ここで、加熱状態を維持する（加熱状態を維持したまま）とは、加熱を解かないことを意味し、温度が変わる場合と変わらない場合を含む趣旨である。

（機械加工工程（Ｓ１０５））
所望する付加製造体７が得られたならば、機械加工工程に移行する。前述したように、付加製造体７は、最終的に得たい製造物体に対してニアネットシェイプを形成できるが、付加製造体７のままでは、切削や塑性加工で得られる寸法精度、表面粗さには到達できない。そのため、得たい形状、寸法にするために、機械加工が施される。

本実施形態における機械加工工程とは、機械加工を広く包含するが、最も典型的には切削加工（フライス加工、穴あけ加工、旋削加工など）が掲げられる。ここで、付加製造体７が難切削材料、例えば超硬合金やサーメットからなる場合には、切削加工が容易ではない。そこで、本実施形態においては、付加製造工程における加熱状態を機械加工工程においても維持する。

加熱状態においては、付加製造体７が難切削材料から構成されていても、付加製造体７の硬さが低下する。したがって、例えば切削工具が付加製造体７に衝突した際に、せん断変形が生じ易く、切り屑が生じるときの抵抗が小さい。また、硬質粒子が分散された材料は、室温では切削困難であるが、加熱することで初めて切り屑が生成され、材料組成によっては硬質粒子が起点となって切り屑の分断が起こる。すなわち、加熱状態にあることで、切削し易く、かつ工具や加工箇所（加工面）から切り屑が排除されやすくなることで、例えば、加工面に切り屑が噛み込まれる等の事象を避けることができ、加工面の面性状向上に寄与する。

本実施形態は、付加製造工程における加熱状態が維持されたままで切削加工するので、加熱状態を解いてから再度加熱するのに比べて、エネルギー的にもロスが小さく高能率な加工といえる。なお、付加製造時と機械加工時の温度をそれぞれ最適な状態に制御することが良い。機械加工により残留応力が生じることがあるが、これを緩和した状態で加工することや、その逆に残留応力を付与することで表面を硬化したり、耐欠損性を向上したりするなどの制御が可能となる。

加えて、本実施形態では加熱状態において、加工箇所６０に向けて固体二酸化炭素の粉末５５を噴射しながら付加製造体７を機械加工するものである。なお、例えば特開２０１６−０４１４６４号のように、加工の際にドライアイス粉末を用いた技術があるが、かかる技術は単純な冷却を目的とするものであり、本発明のように被加工物（付加製造体）を加熱する技術思想とは相容れないものである。加工箇所に向けて噴射した固体二酸化炭素の粉末５５は、瞬時に急激な体積膨張を引き起こしながら気化する。急激な体積膨張は、加工箇所周辺の工具や加工箇所表面に付着していた切り屑や凝着物をそれら表面から剥離、除去する外力として働き、被削材（加工面）表面に付着した凝着物を低減することができる。結果、加熱状態で切削する場合よりも、さらに切り屑や凝着物を起因とする欠陥を抑制することができ、加工面の性状向上に大きく寄与できる。

さらに、加工箇所近傍は、固体二酸化炭素の粉末５５が気化したことにより、二酸化炭素濃度が高まる。すなわち、酸素濃度が低減した空間（低酸素濃度空間）を形成することができ、被削材表面の酸化を低減することができる。この低酸素濃度の空間であれば、加工箇所が加熱状態にあっても工具の酸化摩耗を低減することができ、結果的に工具寿命の向上による、切れ味の維持に繋がり、加工面の性状向上に寄与する。また、固体二酸化炭素の粉末５５であれば、加工箇所に向けて噴射されると同時に急激な気化が始まるため、被削材まで冷気が到達することはなく、被削材表面の急激な温度低下を招きにくい。このため被削材表面にクラックが生じることを抑制できる。

加工箇所に向けて噴射する固体二酸化炭素の粉末５５の状態としては、液化炭酸ガス（液化ＣＯ_２）の供給量を、例えば、２０〜２５０ｇ／ｍｉｎにて調整して噴射すればよい。２０〜２５０ｇ／ｍｉｎの範囲とすることで、液化炭酸ガスが適度に固化しつつ気流に乗って噴射することができ、また好ましくは、２０〜１５０ｇ／ｍｉｎである。またこのとき、固体二酸化炭素粉末の粒径は、１０〜５０μｍであることが好ましい。

固体二酸化炭素の粉末を噴射しているとき、被削材(付加製造体)の加熱温度は、１／１０Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下であることが好ましく、より好ましくは１／７Ｍｐ以上、２／３Ｍｐ以下である。１/１０Ｍｐ以上であると付加製造体の軟化が起こり始め、切削負荷が低減する。５／６Ｍｐを超えると付加製造体の軟化と反応性の増加が著しくなり、工具刃先への付着が強固になる。そうなると工具の凝着摩耗の増大や、凝着物の加工面への移着による加工面品位の低下が生じる。なお、加熱温度は加工箇所近傍（固体二酸化炭素粉末の噴射や工具を含む加工点の領域）の温度を考慮することが好ましいが、直接測定することは難しい。そこで、本実施形態では、後述すように基材あるいは付加製造体の表面温度を測定し、この温度を加熱温度とみなしている。

固体二酸化炭素の粉末５５の噴射方向などについて特に指定はしないが、工具進行方向の背面側から工具刃先に向けて噴射することで、工具刃先に凝着する切り屑を効率的に吹き飛ばすことができるので好ましい。正確に加工部に噴射するために、例えば、噴射ノズル先端から加工点までの距離は、５０ｍｍ程度以上離間していればよく、好ましくは７０ｍｍ離間していると良い。加工箇所への固体二酸化炭素の粉末５５の入射角は、工具の軸中心に対して、切削方向と反対の方向に１０°以上、９０°未満とでき、好ましくは約４５ °である。

以上では切削加工について説明したが、本実施形態は、例えば塑性加工、研削加工などの他の機械加工を行うこと、またこれらの加工を併用して行うことを許容する。

機械加工工程が切削加工である場合には、セラミックス製の切削工具を用いることが好ましい。
室温においては、超硬合金やサーメットとセラミックス製の切削工具とは同程度の硬さ、例えばＨＶで１３００〜１８００を有している。したがって、通常は、セラミックス製の切削工具で超硬合金やサーメットを切削することは困難である。しかし、上述した加熱状態においては、超硬合金やサーメットの軟化の程度はセラミックスのそれよりも大きいので、両者の硬さに差が生じる。この差を利用して切削加工現象を起こすことが可能である。また、セラミックス製の切削工具は、金属材料との接触による凝着が生じ難いため、超硬合金やサーメットに対して安定した切り屑の排出ができる。このように、セラミックス製の切削工具は、本実施形態における加熱状態にある切削加工に有効である。
セラミックス製の切削工具の材質としては、アルミナ系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、ジルコニア系セラミックスなどを適用できる。窒化珪素系セラミックスとしては、サイアロンが好ましい。

また、加工条件としては、切削速度を２０〜８０ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。

（冷却工程（Ｓ１０７））
付加製造体７に必要な加工を施したならば、加熱状態を解いて、付加製造体７を冷却する。
冷却工程は、例えば、徐冷、放冷の順に行われる。つまり、付加製造体７を構成する材料の割れ感受性の低い温度域になるまでは冷却速度の遅い徐冷を適用し、割れ感受性の低い温度域からは冷却速度の速い放冷を適用することが好ましい。ここでいう冷却速度の速い、遅いは相対的な関係であって、具体的な徐冷における冷却速度は付加製造体７を構成する材料に基づいて定めればよい。

［加熱状態の維持］
次に、本実施形態が包含する加熱状態を維持するいくつかのパターンを図２および図３を参照して説明する。
図２（ａ）は、付加製造工程および機械加工工程を通じて、加熱状態として、付加製造工程で昇温された加熱温度が維持されるパターンを示している。図２（ａ）は、予熱工程を備えていない。

前述したように付加製造時の加熱状態は、１／６Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の温度を有し、機械加工時の加熱状態は、１／１０Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の範囲から選択されるので、加熱温度の維持はこの温度範囲において行われる。
付加製造工程と機械加工工程とにおける加熱温度（Ｔ）をそれぞれの工程において変動させることなく維持することが好ましい。しかし、工業的な生産規模を考慮するとこれは現実的ではない。したがって、本実施形態においては、付加製造工程と機械加工工程とにおいてそれぞれ設定した加熱温度（Ｔ）を基準として、Ｔ±１００℃以下の範囲で温度が変動しても、温度が維持されているものとみなす。好ましい温度の変動範囲はＴ±５０℃以下であり、より好ましい温度の変動範囲はＴ±３０℃以下であり、さらに好ましい温度の変動範囲はＴ±１０℃以下である。この加熱温度の維持は、以降のパターンにも踏襲される。

なお、ここでいうＴ±１００℃以下の範囲における維持とは、１度の付加製造工程と機械加工工程とにおける温度の維持範囲のことである。例えば、付加製造工程および機械加工工程が２回繰り返される場合に、１回目の付加製造工程と機械加工工程との加熱温度と２回目の付加製造工程と機械加工工程との加熱温度の温度差がＴ±１００℃以下の範囲に収まることではない。つまり、１回の付加製造工程と機械加工工程とにおける加熱温度がＴ±１００℃以下に収まることを意味する。

次に、図２（ｂ）は、予熱工程、付加製造工程および機械加工工程を通じて、予熱工程で昇温された加熱温度が維持されるパターンを示している。ここでいう加熱温度は、予熱工程における最も高い温度のことである。なお、付加製造体７全体の温度を均一にすることは困難である。そこで、高周波誘導加熱したときの付加製造体７の側面の表面温度、すなわち最高温度と、付加製造体７中央部の表面温度を事前に調べておき、付加製造体７の側面温度と中央部温度の相関（温度差など）のデータを基に、実際の造形部分となる付加製造体７の中央部の温度が所望の温度以上になるように制御する。

付加製造工程と機械加工工程は、図２（ａ）、（ｂ）に示すようにそれぞれ一度だけ行われる場合もあるが、以下の理由により図２（ｃ）に示すようにそれぞれが複数回繰り返される場合もある。

付加製造時には、例えばレーザの照射によって形成された溶融池に粉体を投入するが、溶融池の形状や大きさの制御は難しい。そのために、付加製造体７の形状を機械加工によって整えた後に付加製造するという手順を繰り返す場合がある。つまり、付加製造工程と機械加工工程を交互に繰り返して行うことで、加工部位に加工工具が容易に届くようになり、加工を安定的に行い、所望の形状を得ることができる。このように付加製造工程と機械加工工程の繰り返し工程は、複雑形状の部材を製造する上で有用な方法である。

なお、図２（ｃ）は複数回として２回を例示しているが、付加製造工程と機械加工工程を３回ずつ以上行われてもよいことは言うまでもない。図２（ｃ）に示すように、複数回の付加製造工程と機械加工工程が繰り返される場合にも、繰り返される過程で加熱状態が維持される。

次に、図３（ａ）は付加製造に先立って機械加工が行われ、さらに付加製造の後に機械加工が行われるパターンを示している。付加製造に先立って行われる機械加工としては、後の付加製造に適するような形状とするために、基材３を機械加工することが例示される。この機械加工工程は、付加製造工程の後に行われる付加製造体７を機械加工するのとは、加工の対象が異なる。そこで、図３（ａ）において、付加製造体７を機械加工するのと区別するために予備加工と表記した。

図３（ａ）のパターンは、基材３を予め加熱してから付加製造および機械加工する形態ｈ１と、予熱することなく付加製造の際に基材３を加熱する形態ｈ２と、を含む。また、図３（ａ）においては、予熱の前に予備加工を行う例を示しているが、予熱と付加製造の間に予備加工を行うこともできる。

次に、図３（ｂ）は、付加製造工程と機械加工工程の温度が異なるパターンを示している。このパターンは、付加製造工程に適する加熱温度と機械加工工程に適する加熱温度が相違する場合に適応する。

次に、図３（ｃ）は、付加製造工程と機械加工工程の温度が異なるのに加えて、複数回行われる付加製造工程と機械加工工程との加熱温度が異なるパターンを示している。このパターンは、前述した付加製造工程の加熱温度が１／６Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の温度範囲の中で、機械加工工程の加熱温度が１／１０Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の温度範囲の中で、それぞれの加熱温度を任意に選択できることを意味する。加熱され高温となった付加製造体７を切削加工した場合、冷却過程で寸法収縮を生じる。そのため、加熱中の切削で高精度な加工は困難である。そこで、上述の温度範囲の中で低い温度を選択することにより、精密な機械加工が可能になる。特に、冷却前の最後の機械加工工程は、付加製造工程の加熱温度よりも低い温度とし、固体二酸化炭素の粉末５５の噴射を併用することで、加工面の面性状の向上効果がより得られやすい。なお、最終段階、例えば冷却（徐冷、放冷）段階において機械加工工程を加えてもよく、この機械加工工程においては室温のように低い温度を選択することで、高い加工精度を得ることができる。

また、図３（ｃ）に示すように、複数回、ここでは２回の付加製造工程が行われる場合、異なる加熱温度を選択できる。付加製造体の温度が、切削に適する温度の下限よりも高い状態であれば、徐冷中であっても切削加工可能である。なお、より精度良く加工するため、機械加工前に付加製造体の十分な冷却過程を設ける。ここで、切削加工を安定的に行うためには、温度が一定になるまで機械加工の開始を待つことが好ましい。

また、本発明の製造方法において、加熱状態は、付加製造体を構成する材料の融点をＭｐ（℃）とすると、付加製造工程の加熱状態は、１／６Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の温度を有することが好ましい。

この温度域であれば、材料内部の原子拡散が起こるため、すなわち、付加製造時の溶融部が凝固する際に、残留応力が発生するのを緩和するため、付加製造体に表面キズ、亀裂や割れ等の欠陥が生じるのを抑制することができる。また、機械加工工程の加熱状態は、１／１０Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の温度を有することが好ましい。この温度域では、材料自体が軟化する傾向になるため、機械加工した際には加工負荷が小さくなるため、刃具を損傷させずに加工することが可能となる。

［適用材料］
本実施形態の付加製造方法が適用される材料に制限はないが、いわゆる難切削材料と称される金属材料に適用されることが好ましい。
機械加工工程Ｓ１０５で行われる加工が切削である場合には、難切削材料ということになるが、本実施形態において難切削材料であるか否かは被削性指数が指標となる。被削性指数は、硫黄快削鋼(ＡＩＳＩ‐Ｂ１１１２)を切削して、一定の工具寿命に対する切削速度を１００とし、比較する材料の同一工具寿命に対する切削速度を百分率で表すものである。

本実施形態においては、この被削性指数が、５０以下の難切削材料に好適であり、切削温度や切削抵抗が高いため、工具の摩耗が早く削りにくい材料である。これらの中でも、高硬度である超硬合金およびサーメットは、本実施形態を適用することにより、実用的な切削速度で切削が可能になる。難切削材料は、熱伝導率が低く、高温での硬さが高い傾向にある。そのため、付加製造における局所的な加熱と急冷によって、温度勾配が付きやすく、熱応力が発生することによって、欠陥が生じ易い。欠陥を抑制するためには、上述したように付加製造工程と機械加工工程に加熱状態を維持するのがよい。

ここで、超硬合金（Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｃａｒｂｉｄｅ）、サーメット（Ｃｅｒｍｅｔ）とは、周期律表の４族遷移金属、５族遷移金属および６族遷移金属の炭化物、窒化物、酸化物、酸窒化物、炭窒化物、ホウ化物および珪化物の少なくとも一種を含む硬質相と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの少なくとも一種からなる結合相と、を主体とする焼結体からなる複合材料である。

超硬合金は、典型的にはＷＣ−Ｃｏ系合金であるが、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金なども用いられている。また、結合相には、Ｃｒ、Ｃｕなどの他の金属元素を含むこともある。
またサーメットは、典型的にはＴｉＮ−Ｎｉ系合金、ＴｉＮ−ＴｉＣ−Ｎｉ系合金、ＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏ_２Ｃ系合金などである。

超硬合金は一般的には切削工具として用いられているが、後述する金型のように靭性が求められる用途の場合には、切削工具として用いられているものとは異なる組成を採用することが好ましい。サーメットについても同様である。
つまり、超硬合金からなる付加製造体７を例えば金型に用いる際には、ＷＣ−Ｃｏ系合金において、Ｃｏ量が２０質量％以上、５０質量％以下であることが好ましい。このＣｏ量は、切削工具として用いられるＷＣ−Ｃｏ系合金に比べて多い。これにより、金型としての使用に適した靱性、強度および硬度が与えられる。

本実施形態の付加製造方法が適用される材料として、超硬合金またはサーメットの他には、高硬度材、超合金が掲げられる。
高硬度材は、５０ＨＲＣを超えるＦｅ基の材料を指し、ＪＩＳ ＳＫＤ１１、ＳＫＨ５１、ＳＵＳ６３０などである。

超合金は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、ＭｏなどのＦｅ以外を主体とした合金である。その内、Ｎｉ基超合金とは、例えば、Ｎｉを５０質量％以上含み、その他にクロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ランタン（Ｌａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）等から選択される元素を含む合金である。

一般に、Ｎｉ基超合金は、ガンマ相を主相とする合金である。ガンマ相は、冷却過程で相変態することなく、そのままの結晶構造が保たれるため、ワレが起こりにくい。また、鋼や超硬合金の上にＮｉ基超合金を造形した場合には、界面近傍に中間層が形成されるが、この場合、中間層のガンマ相分率が高くなり靭性の著しい低下を抑制することができる。
さらに、被削性指数が５０以下の難切削材料として、Ｔｉ合金（例えば、Ｔｉ−６質量％Ａｌ−４質量％Ｖ）がある。

［用途］
本発明により得られる付加製造体７の用途は、限定されるものではないが、好適な用途として、温熱間鍛造、鋳造、ダイカスト、ホットスタンプに用いられる金型や軸受け等の耐摩耗部材が掲げられる。
これらの金型は、高温にて被成形材と接触し、摩擦が繰り返されるが、安定した成形を繰り返すために、耐摩耗性が要求される。そのため、これらの金型は、高温で高強度が安定して得られる材料で作製することで長寿命が図られている。具体的には、超硬合金やサーメット等の複合材料、ダイス鋼、高速度工具鋼等が掲げられる。

これらの材料は、いずれも難切削材料に該当し、所望の金型形状に成形する際の機械加工の負荷が大きい。そこで、このような材料を用いて金型を成形する際に、付加製造方法を用いると、金型を設計寸法に近いニアネットシェイプに造形することができるので、機械加工負荷を低減できる。

ただし、付加製造方法によっても、最終的な表面粗さの調整や、寸法精度の調整のため、機械加工は必要である。したがって、加熱温度が維持された状態で機械加工をすることで機械加工の負荷を低減できる本実施形態にとって、難切削材料からなる金型は好適な用途である。

＜付加製造装置＞
次に、本発明を実施するのに好ましい付加製造装置１を、図４〜図６を参照して説明する。
付加製造装置１は、付加製造体７を造形する機能と、造形された付加製造体７に切削加工する機能と、を備える。また、付加製造装置１は、付加製造体７の付加製造工程および付加製造体７の切削工程（機械加工工程）を、加熱状態を維持したままで行う機能を備えている。尚、切削加工の機能は、研削加工、旋削加工などに置き換えることができる。

（全体構成）
付加製造装置１は、ハウジング１０と、付加製造体７を造形するとともに造形された付加製造体７に切削加工を施す工作部２０と、基材３の予熱から付加製造体７の切削を終えるまでの加熱状態を維持する加熱部３０と、工作部２０と加熱部３０の動作を制御する制御部４０と、付加製造体７の切削中に固体二酸化炭素の粉末５５を噴射する噴射部５０と、を備える。

［ハウジング１０］
ハウジング１０は、工作部２０、加熱部３０を収容するとともに内部を周囲から隔離する。ハウジング１０には、ドア１１が設けられており、工作部２０および加熱部３０を動作させる際には、ドア１１は閉じられる。付加製造装置１のオペレータは、基材３の取り付けを行うとき、切削加工が施された付加製造体７を取り出すときなどは、ドア１１を空けてハウジング１０の内部に入る。
なお、図４はハウジング１０の天井を透視することにより、内部を視認できるようにしている。

［工作部２０］
工作部２０は、図４および図６（ａ）、（ｂ）に示すように、主軸２１と、主軸２１に取り付けられる造形ヘッド２３およびマシニングヘッド２５とを備える。なお、工作部２０は、本発明の造形部と加工部を含む概念を有している。
主軸２１は、造形ヘッド２３およびマシニングヘッド２５を必要とされる位置に移動させる。また、主軸２１は、マシニングヘッド２５に取り付けられる工具に例えば回転駆動力を与える。なお、図６（ｂ）には一つのマシニングヘッド２５だけを示しているが、複数のマシニングヘッド２５を備えることができる。

造形ヘッド２３には、図６（ａ）に示すように、レーザノズル２４が取り付けられる。
レーザノズル２４は付加製造工程で用いられる。レーザノズル２４は、基材３の表面にレーザを照射する。レーザノズル２４は、図示を省略する粉末供給源から連続的に供給される原料粉末５をレーザの照射領域に吐出することにより、レーザで原料粉末を溶融し凝固して付加製造する。原料粉末５は、上述した適用材料による平均粒径１０μｍ〜２５０μｍ程度のアトマイズ粉とすることができる。

マシニングヘッド２５には、図６（ｂ）に示すように、一例として切削工具２６が取り付けられる。
切削工具２６は、付加製造工程の後の機械加工工程で用いられる。この切削工具２６は、付加製造体７を構成する材料に適したものが選択される。付加製造体７が超硬合金、サーメットからなるときには、セラミックス製の切削工具２６が選択されるのが好ましい。

工作部２０は、図４、図５（ｂ）に示すように、基材３が固定されるテーブル２８を備えている。レーザノズル２４が取り付けられた造形ヘッド２３および切削工具２６が取り付けられたマシニングヘッド２５は、テーブル２８に取り付けられた基材３に上方から対向してそれぞれの動作を行う。この造形ヘッド２３およびマシニングヘッド２５が動作する領域を、単に動作領域という。

［加熱部３０］
加熱部３０では、予熱工程および付加製造工程、その後の機械加工工程における加熱状態を、高周波誘導加熱、半導体レーザ、加熱気体、ガスバーナー、赤外線電気ヒーター、加熱炉、電子ビームまたはレーザの照射、ハロゲンランプ照射による加熱、ホットプレートのような電熱線を熱源とした加熱方式などによって、実現できる。また、これら手段を単独で用いて加熱しても良いし、併用して実現することができる。制御温度の安定性から、好ましくは高周波誘導加熱が好ましく、これと併用して各種加熱方法を用いることが好ましい。

先ず、高周波誘導加熱を用いたときの加熱部３０は、高周波電流を出力する高周波電源３１と、高周波電源３１から出力された高周波電流を所望する周波数の高周波電流として出力する高周波発振器３３と、高周波発振器３３から出力された高周波電流が流れる高周波コイル３５とを備える。高周波電源３１、高周波発振器３３および高周波コイル３５は、基材３および付加製造体７の加熱に直接的に関わる部分である。
高周波コイル３５に高周波電力が流れると磁界が形成され、この磁界の範囲内におかれる被加熱物の表面付近に高密度のうず電流が発生し、そのジュール熱で被加熱物を発熱させる。本実施形態における被加熱物は、基材３および付加製造体７である

加熱部３０は、チラー３６と温調器３７を備える。チラー３６は、高周波発振器３３に冷却媒体を循環させ、温調器３７は、高周波電源３１の温度を調節する。チラー３６と温調器３７を設けることにより、加熱部３０が過熱することなく安定した動作が行える。
図示を省略するが、加熱部３０は、他の部分、例えば工作部２０のテーブル２８を冷却する手段を備えることができる。

［制御部４０］
制御部４０は、工作部２０および加熱部３０の動作を司る。
工作部２０の動作について、制御部４０は、付加製造体７を造形する際には造形ヘッド２３を動作位置に移動させるとともに、レーザノズル２４に原料粉末を供給する。さらにレーザの基材３への照射を指示する。付加製造体７の造形が終われば、制御部４０は、造形ヘッド２３を動作位置から退避させるとともにマシニングヘッド２５を動作位置に移動させる。その後、制御部４０は、所定の切削加工を行うためにマシニングヘッド２５および切削工具２６の動作を制御する。所定の切削加工が終われば、制御部４０はマシニングヘッド２５を退避させる。

制御部４０は、加熱部３０による適切な加熱温度を実現するために、第１温度センサ４１と第２温度センサ４３を備える。第１温度センサ４１は、付加製造体７の直上における温度Ｔ１を測定し、第２温度センサ４３は、基材３の温度Ｔ３を測定する。
制御部４０は、第１温度センサ４１で測定された温度Ｔ１と第２温度センサ４３で測定された温度Ｔ３の差が、規定範囲ΔＴ（式１）に収まっていれば、加熱部３０に従前の条件で加熱を続けるように指示する。制御部４０は、温度Ｔ１と温度Ｔ３の差が規定範囲ΔＴ（式２）を超えれば、加熱部３０に従前とは異なる条件で加熱をするように指示する。
｜Ｔ１−Ｔ３｜≦ΔＴ …式（１） 、 ｜Ｔ１−Ｔ３｜＞ΔＴ …式（２）

［噴射部５０］
噴射部５０は、液体二酸化炭素（液体ＣＯ_２）を貯蔵するボンベ５１と、圧縮乾燥空気と液体ＣＯ_２との量を各々調整して送給する調整器５２と、調整器５２で各々の量を調整した圧縮乾燥空気と液体ＣＯ_２とを混合し、それら混合流体を噴射する噴射ノズル部５４と、を備えている。なお、圧縮乾燥空気は、圧縮空気をエアドライヤ５３に通したものを使用すれば良く、噴射ノズル部５４は、該混合流体を噴射するための開口部として、Φ３ｍｍ程度の開口部を有していれば良い。

ボンベ５１に貯蔵された液体ＣＯ_２と圧縮乾燥空気との供給量を調整器５２によって決定後、それら流体を噴射ノズル部５４内で混合し、その混合流体を噴射ノズル部５４の先端から噴射すれば良い。圧縮乾燥空気と液体ＣＯ_２とを混合することで、液体ＣＯ_２が固化するため、噴射ノズル部５４先端からは、固体二酸化炭素の粉末５５を噴射することができる。圧縮空気をＡｒガス等に変更することで、より低酸素雰囲気での機械加工が可能になる。

噴射圧力および噴射流量は、例えば、圧縮空気配管もしくはＡｒボンベ後に設けた減圧弁と流量調整器により調整する。固体二酸化炭素の粉末５５の粒径は、調整器５２に設けられた調整つまみを回すことで、圧縮空気またはＡｒガスと液体ＣＯ_２の混合量を変えることで制御することができる。

次に、図５および図６を参照して、付加製造装置１を用いて付加製造体７を得る手順を説明する。
（基材３の固定〜予熱工程）
はじめに、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、オペレータがテーブル２８の所定位置に基材３を載せ、かつ固定する。
基材３の固定が終わると、オペレータは制御部４０の操作盤を操作して、加熱部３０の高周波コイル３５に高周波電源３１および高周波発振器３３を介して高周波電流を流す。基材３の表層部に渦電流が生じることで、基材３は自己発熱する。

基材３の予熱工程において、制御部４０は第２温度センサ４３で測定される温度Ｔ３を取得し、温度Ｔ３と設定温度Ｔｓを比較する。制御部４０は、温度Ｔ３が設定温度Ｔｓに達するまでは当初の加熱条件を維持するが、温度Ｔ３が設定温度Ｔｓに達すれば温度Ｔ３が設定温度Ｔｓで維持される加熱条件に切り替える。
設定温度Ｔｓに達した後には、次の付加製造工程および機械加工工程の間、上述した式（１），（２）より加熱状態を維持する制御が実行される。

（付加製造工程）
基材３が設定温度まで昇温されると、図６（ａ）に示すように、レーザノズル２４から原料粉末５を吐出しつつ加熱溶融、凝固することで、基材３の上に付加製造体７を造形する。レーザノズル２４を移動させながら付加製造を行うことにより、所望する形状の付加製造体７を造形することができる。

＜機械加工工程＞
所望する付加製造体７が得られたならば、造形ヘッド２３を動作領域から後退させるとともに、図６（ｂ）に示すように、マシニングヘッド２５と、噴射ノズル部５４を動作領域に進出させる。次いで、マシニングヘッド２５を移動させながら切削工具２６を回転させることにより、付加製造体７を所望する形状に加工する。機械加工中の加工箇所６０の様子を図６（ｃ）に示す。加工中は、切削工具２６によって加工する付加製造体７の加工箇所６０に向けて、噴射ノズル部５４から固体二酸化炭素の粉末５５を噴射する。加工箇所６０は、固体二酸化炭素の粉末５５が昇華することで、低酸素濃度空間５６を作り出す。

（冷却工程）
機械加工が終われば、前述した手順で冷却工程が行われる。
冷却工程が始まると高周波コイル３５への電流の供給が止められる。または、冷却速度を設定したい場合は、高周波コイル３５へ必要な電流を供給することもできる。

次に、本発明を具体的な実施例および実験例に基づいて説明する。なお、実施例および実験例において共通する基材について説明した後に、各実施例および実験例を順次説明する。
［基材］
下記の組成（ＪＩＳ ＮＣＦ７１８相当材、質量％）を有するＮｉ基合金からなる基材を用意した。この基材は、固溶化熱処理および時効処理（ＪＩＳ Ｇ４９０１）を経て作製されている（組成比Ｃ：０．０５％、Ｃｒ：１９％、Ｎｉ：５２．５％、Ｍｏ：３％、Ｎｂ：５％、Ａｌ：０．５％、Ｔｉ：０．８％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物）。

［複合粉末］
次に、付加製造体７を構成する原料粉末として、以下の複合粉末Ａを用意した。
複合粉末Ａ：Ｃｏ量が４０質量％であるＷＣ―Ｃｏ超硬合金
複合粉末Ａの製造方法：炭化タングステン粉末（平均粒子径０．８μｍ）と、コバルト粉末（平均粒子径０．６μｍ）を用い、炭化タングステン粉末とコバルト粉末とを重量比で６：４になるよう秤量した。そして、秤量した粉末に少量のカーボン粉末とパラフィンワックスを添加し、エタノールと一緒にアトライターに投入して湿式混合して混合粉末のスラリーを得た。

そして、得られた混合粉末のスラリーをスプレードライヤーで乾燥造粒して平均粒径８０μｍの造粒粉末を得た。この造粒粉末を脱脂後１２６０℃で熱処理して複合粉末Ａを得た。複合粉末Ａの融点は、およそ１３２０℃、被削性指数は２〜５程度である。粉末の融点は、材料組成によって異なるため、報告されている平衡状態図もしくは、ＣＡＬＰＨＡＤ（Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｈａｓｅ Ｄｉａｇｒａｍ）法に基づく熱力学平衡計算および状態図計算によって求めた計算状態図を参考に決定した。

＜実験例＞
（予熱工程、付加製造工程、機械加工工程）
以上の基材および複合粉末Ａを用いて、以下に示す条件で予熱工程、付加製造工程および機械加工工程を実施した。複合粉末Ａを用いた付加製造体（被削材）からなる試験片を用い、セラミックス（サイアロン）の材質の切削工具を用いて切削性の評価を行った。切削工具はエンドミルとした。

（予熱工程）
１００×１００×１０ｍｍのＮｉ基合金製の基材を高周波誘導加熱により以下の予熱温度まで加熱した。
予熱温度：８００℃
予熱温度は、基材側面を放射温度計で測定した値を目的温度として維持した。

（付加製造工程）
積層造形方式：指向性エネルギー堆積方式のレーザメルトデポジション
造形条件：レーザ出力：１０００〜２０００Ｗ、送り：１００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎ、粉末送給ガス量：４〜１２Ｌ／ｍｉｎ、積層ピッチ０．４〜０．８ｍｍで造形し、１層あたり２０パスで、高さが３０ｍｍになるように、材料を該基材上に付着させて、おおむね４０層程度にわたって積層させた。そして、３０ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍの付加製造体（被削材）を得た。
付加製造時の温度：予熱工程の加熱温度である以下の温度を維持した。
基材側面の温度：８００℃

（機械加工工程）
エンドミルを用いた切削加工を図３（ｂ）のパターンで実施した。
１）エンドミルを用いた切削条件
工具径：φ１２ｍｍ、コーナーＲ１．５ｍｍ、ネジレ角３５°、刃数４枚
軸切込：１．７６ｍｍ、径切込：１．４２ｍｍ、切削距離：３０ｍｍ
工具材種：サイアロン
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
加工時の維持温度（基材側面の温度）：予熱工程〜付加製造工程迄の加熱温度から２５℃（Ｒ.Ｔ.）、２００℃±１００℃、６００℃±１００℃の３つの温度域に変更した。
切削雰囲気：固体二酸化炭素の噴射がある場合と無い場合を実施した。

固体二酸化炭素の噴射条件は、固体二酸化炭素の粉末の粒径が１０〜５０μｍとなるように圧縮乾燥空気と液化ＣＯ_２の混合比を調整し、加工部（加工箇所）に、２０〜１５０ｇ／ｍｉｎで噴射した。噴射ノズル先端から加工点までの距離は約７０ｍｍとした。噴射方向は、切削加工時に工具刃先に凝着する切り屑を効率的に吹き飛ばすために、工具進行方向の背面側から工具刃先に向けて噴射した。

ここで、
（１）基材側面温度：６００℃、固体二酸化炭素噴射：有りの場合を実施例１、
（２）基材側面温度：２００℃、固体二酸化炭素噴射：有りの場合を実施例２、
（３）基材側面温度：６００℃、固体二酸化炭素噴射：無しの場合を参照例１、
（４）基材側面温度：２００℃、固体二酸化炭素噴射：無しの場合を参照例２、
（５）被削材加熱と固体二酸化炭素噴射とを実施しなかった場合を比較例とした。

図７〜９に、セラミックス製のエンドミルを用いた切削試験の結果を示す。
図７は、固体二酸化炭素（固体二酸化炭素粉末）の噴射がある場合と無い場合のエンドミルの損傷形態を、付加製造体の加熱温度毎に示した写真である。図８は、固体二酸化炭素の噴射がある場合と無い場合のエンドミルの摩耗幅と被削材温度との関係を示した図である。図９は、固体二酸化炭素の粉末を噴射した場合と、噴射しなかった場合とにおける加工面性状を付加製造体の加熱温度毎に比較して示した写真である。
表１に、実施例１と２、参照例１と２、および比較例の評価内容と結果をまとめて示す。

表１に示した、実施例１と実施例２および参照例１と参照例２の結果、および図７（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）のそれぞれの写真が示すように、付加製造体を加熱状態で機械加工（加熱切削）した場合では、工具の欠損を抑制することができた。また、付加造形体を加熱した場合では、工具の損傷形態は摩耗となり、損傷幅を抑制することができた。
これは、付加製造体（被削材）を加熱したことで、付加製造体が軟化し、工具にかかる負荷が減じたためと解される。つまり、加熱を伴う切削により安定した工具摩耗状態に移行しているといえる。
一方、表１に示した較例の結果、および図７（ｃ）の写真が示すように、付加製造体を加熱せずに室温（２５℃）にて切削した場合には、工具の損傷形態は、欠損であった。また、工具が早期に欠損、破損するため、切削加工が困難となる結果を得た。

以上のように、被削性指数が極めて小さい超硬合金であっても、加熱切削が有効に機能することを確認した。超硬合金以外のＮｉ基超合金（Ａｌｌｏｙ７１８）等への加熱切削の効果も確認したが、室温では切削困難である超硬合金のような被削材に対して加熱切削は特に有効であることが確認された。

次に、表１の実施例１および図９（ｂ）に示すように、加熱温度を６００℃（３／７Ｍｐ）とした場合において、固体二酸化炭素の粉末を噴射することによって、被削材表面の凝着物付着量を低減することができ、付加製造体の加工面性状を向上できることを確認した。また、このとき、付加製造体の表面にクラックが生じることもなく、付加製造体の加工面の酸化をも低減することができた。また、表１の実施例２および図９（ａ）に示すように、加熱温度を２００℃（１／７Ｍｐ）として場合では、加熱温度を６００℃とした場合よりもさらに付加製造体の加工面性状を向上できることを確認した。

一方、図９（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すように、固体二酸化炭素粉末を噴射しなかった場合には、付加製造体の表面に多くのバリが生じており、付加製造体の加工面性状を向上することは困難であった。

ここで、固体二酸化炭素粉末を噴射することによる最大の効果は、加工表面の凝着物付着量の低減である。固体二酸化炭素を噴射することによって、工具摩耗がわずかに増大する傾向を確認した。
これは、固体二酸化炭素が加工部表面近傍で気化した際に、被削材表面の表層の温度をわずかに低下させたため、切削抵抗が大きくなり、摩耗がわずかに進んだものと考えられる。しかし、表面温度が急峻に低下することなく、加工を進行することが出来るため、造形体表面にクラックが生じることはなかったと考えられる。

これらのことを鑑みると、例えば、造形−加工プロセスにおいて、荒加工時（図３（ｂ）の最初の機械加工）には固体二酸化炭素の粉末を噴射せず、その後の中仕上げ加工時以降に固体二酸化炭素の粉末を噴射すれば、迅速に所望の形状かつ所望の表面粗さに加工可能となり、加工時間短縮等の効果も期待できる。

以上のように、付加製造体を加熱することによって、工具摩耗を低減でき、付加製造体に固体二酸化炭素の噴射しながら機械加工することによって、付加製造体の加工面性状を向上することができ、すなわち付加製造体を加熱しながら機械加工を施した場合でも、切り屑や酸化物を起因とする欠陥が生じるのを抑制できる付加製造体を製造することができた。

１ 付加製造装置
３ 基材
５ 原料粉末
７ 付加製造体
１０ ハウジング
１１ ドア
２０ 工作部（造形部、加工部）
２１ 主軸
２３ 造形ヘッド
２４ レーザノズル
２５ マシニングヘッド
２６ 切削工具
２８ テーブル
３０ 加熱部
３１ 高周波電源
３３ 高周波発振器
３５ 高周波コイル
３６ チラー
３７ 温調器
４０ 制御部
４１ 第１温度センサ
４３ 第２温度センサ
５０ 噴射部
５１ ボンベ
５２ 調整器
５３ エアドライヤ
５４ 噴射ノズル部
５５ 固体二酸化炭素の粉末
５６ 低酸素濃度空間
６０ 加工箇所

Claims (10)

1. 加熱状態の下で付加製造体を造形する付加製造工程と、
   前記加熱状態を維持したままで、前記付加製造体の加工箇所に固体二酸化炭素粉末を噴射しながら前記付加製造体を加工する機械加工工程と、を有する
   ことを特徴とする付加製造体の製造方法。
2. 前記付加製造体を構成する材料の融点をＭｐ（℃）とすると、前記付加製造時の加熱状態の温度は１／６Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下であり、
   前記機械加工時の加熱状態の温度は、１／１０Ｍｐ以上、５／６Ｍｐ以下の温度である
   請求項１に記載の付加製造体の製造方法。
3. 前記付加製造工程と前記機械加工工程が複数回繰り返され、
   複数回繰り返される前記付加製造工程と前記機械加工工程において、前記加熱状態が維持される、
   請求項１または２に記載の付加製造体の製造方法。
4. 前記付加製造工程に先立って、前記付加製造体が造形される基材を前記加熱状態になるまで加熱する予熱工程を有する、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の付加製造体の製造方法。
5. 前記付加製造体は、被削性指数が５０以下の難切削材料から構成される、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の付加製造体の製造方法。
6. 前記加熱状態は、高周波誘導加熱、半導体レーザ、加熱気体のいずれか一種により実現される、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の付加製造体の製造方法。
7. 前記付加製造工程において、
   基材に対し、連続的または断続的に供給される原料粉末を溶融し、凝固することで前記付加製造体が造形される、
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の付加製造体の製造方法。
8. 前記機械加工工程は、
   セラミックス製の工具による加工を含む、
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の付加製造体の製造方法。
9. 付加製造体を造形する造形部と、
   前記付加製造体を機械加工する加工部と、
   前記付加製造体を加熱する加熱部と、
   前記付加製造体の加工箇所に固体二酸化炭素粉末を噴射するための噴射部と、
   前記造形部と前記加工部および前記加熱部との動作を制御する制御部と、
   を備える付加製造体の製造装置。
10. 前記加熱部は、高周波誘導加熱、半導体レーザ、加熱気体のいずれか一種により前記付加製造体を加熱する、
    請求項９に記載の付加製造体の製造装置。

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