JP2022028322A - 付加製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内を減圧し、ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ上に粉末床を形成しても、均一な粉末床を形成可能な付加製造方法を提供する。【解決手段】チャンバ１０内のステージ５１の上に粉末床ＰＢを形成することと、レーザ照射による粉末床ＰＢの溶融結合と、を含む造形物Ｓの付加製造方法である。本付加製造方法は、チャンバ１０内の圧力を８０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に減圧し、ステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ５１上に粉末床ＰＢを形成する。【選択図】図２

Description

本開示は、付加製造方法に関する。

従来から単結晶の製造方法に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載された単結晶の製造方法は、種結晶を準備する準備工程と、付加製造技術を用いて、種結晶上に無機材料を供給し、熱エネルギーにより前記無機材料を溶融して、前記種結晶上に単結晶を育成する育成工程とを備える。

また、金属間化合物を含有する構造物の製造方法に関する発明が知られている（下記特許文献２を参照）。この従来の構造物の製造方法は、金属基台上に供給された前記構造物の出発材料となる粉末粒子と、前記金属基台の表層とを溶融して混合層を形成する混合層形成工程と、前記粉末粒子を前記混合層上に供給して溶融し、前記構造物を形成する造形工程とを備える。

これら従来の製造方法は、チャンバ内が真空になった後、チャンバ内にアルゴン、窒素などの不活性ガスを供給し、造形テーブル上に配置された基台を予熱する工程を含んでいる。この工程では、チャンバ内を真空に引いた後、不活性ガスを供給することなく基台を予熱してもよく、チャンバ内を真空にせずに、不活性ガスを供給した後、基台を予熱してもよい（特許文献１の第００４４段落、特許文献２の第００４７段落を参照）。

さらに、上記従来の製造方法は、基台を予熱した後に、パウダーベッドを形成する工程を含む。この工程では、粉末供給室のピストンを上昇させてリコータを移動させることで粉末粒子を排出し、排出された粉末粒子をベッド形成室に供給して基台および造形テーブル上に堆積させ、無機層およびパウダーベッドを形成する（特許文献１の第００４６段落、特許文献２の第００４８段落を参照）。

特開２０１５－１８９６１８号公報 特開２０１７－１０９３５７号公報

本願の発明者らは、上記従来の製造方法のように、チャンバ内を減圧し、基台の予熱と不活性ガスの供給を行いながら基台上に粉末床を形成すると、粉末床を形成できない場合や粉末床が不均一になる場合があることを見出した。本開示は、チャンバ内を減圧し、ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ上に粉末床を形成しても、均一な粉末床を形成可能な付加製造方法を提供する。

本開示の一態様は、チャンバ内のステージの上に粉末床を形成し、前記粉末床にレーザを照射して溶融結合により造形物を製造する付加製造方法であって、前記チャンバ内の圧力を８０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に減圧し、前記ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながら前記ステージ上に前記粉末床を形成することを特徴とする付加製造方法である。

本開示の上記一態様によれば、チャンバ内を減圧し、ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ上に粉末床を形成しても、均一な粉末床を形成可能な付加製造方法を提供することができる。

本開示の付加製造方法の実施形態に係るフロー図。 図１の付加製造方法を実施するための付加製造装置の一例を示す概略断面図。 図１の造形準備工程の詳細を示すフロー図。 図１の付加製造工程に含まれる付加製造処理のフロー図。 図１の付加製造工程に含まれる温度モニタリング処理のフロー図。 図１の付加製造工程に含まれる酸素量モニタリング処理のフロー図。 図１の付加製造工程に含まれる圧力モニタリング処理のフロー図。 ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながら形成した粉末床の写真図。 ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながら形成した粉末床の写真図。 ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながら形成した粉末床の写真図。 実施例１の付加製造方法の造形物の浸透探傷試験の結果を示す写真。 実施例１の付加製造方法の造形物の断面を拡大した写真。

以下、図面を参照して本開示に係る付加製造方法の実施形態を説明する。

付加製造は、材料を付着することによって物体を三次元形状の数値表現から作成するプロセスであり、除去的な製造とは対照をなすものである。付加製造は、「３Ｄプリンター」や「積層造形」とも呼ばれ、多くの場合、複数の層を積層させることによって実現される。

図１は、本開示の付加製造方法の実施形態に係るフロー図である。図２は、図１の付加製造方法Ｍを実施するための付加製造装置１００の一例を示す概略断面図である。本実施形態の付加製造方法Ｍは、たとえば、図１に示すように、造形準備工程Ｐ１と、付加製造工程Ｐ２とを含み、図２に示すような付加製造装置１００によって実施することが可能である。以下では、まず、付加製造装置１００の構成の一例を説明し、次に、その付加製造装置１００を用いた本実施形態の付加製造方法Ｍについて説明する。

（付加製造装置）
付加製造装置１００は、たとえば、チャンバ１０と、ガス供給部２０と、排気機構３０と、材料供給部４０と、付加製造部５０と、回収部６０と、リコータ７０と、ビーム源８０と、制御部９０と、を備えている。

チャンバ１０は、たとえば、ビーム源８０および排気機構３０を除く付加製造装置１００の各部を収容している。チャンバ１０は、たとえば、保護ガラス１２ｇがはめ込まれた透過窓１２を有している。透過窓１２は、チャンバ１０の外部に配置されたビーム源８０から照射されるレーザＬを透過させ、チャンバ１０の内部の付加製造部５０のステージ５１に載置された粉末床ＰＢに到達させる。

チャンバ１０は、たとえば真空チャンバであり、排気機構３０によって排気を行うことで、内部の圧力が大気圧よりも低い減圧環境になる。チャンバ１０の内部には、たとえば、温度センサ１３、圧力センサ１４、および酸素センサ１５などが設置されている。図２では簡略化しているが、温度センサ１３は、たとえば、ステージ５１の温度を測定する熱電対などの接触式の温度センサと、ステージ５１の上に形成された粉末床ＰＢの温度を測定する赤外線放射温度計などの非接触式の温度センサとを含む。圧力センサ１４および酸素センサ１５は、それぞれ、チャンバ１０内の減圧環境の圧力および酸素量（酸素濃度）を測定する。また、図示を省略するが、チャンバ１０は、たとえば、付加製造部５０のステージ５１上に形成された粉末床ＰＢを撮影するカメラを有してもよい。

ガス供給部２０は、チャンバ１０に接続され、チャンバ１０の内部へ不活性ガスを供給する。ガス供給部２０は、たとえば、図示を省略するガス供給源や制御弁を備えている。ガス供給源は、不活性ガスが充填された高圧タンクによって構成されている。制御弁は、制御部９０によって制御され、ガス供給源からチャンバ１０へ供給する不活性ガスの流量を制御する。不活性ガスとしては、たとえば、窒素またはアルゴンを使用することができる。

排気機構３０は、たとえば、真空ポンプによって構成され、真空引き用の配管３１を介してチャンバ１０に接続される。排気機構３０は、たとえば、制御部９０によって制御され、チャンバ１０内の気体を排出することで、チャンバ１０の内部を大気圧よりも減圧された真空圧にして、チャンバ１０内を減圧環境にする。

材料供給部４０は、たとえば、材料粉末Ｐを収容可能な凹状に設けられ、上部が開放されて上端に開口部を有している。材料供給部４０は、材料粉末Ｐを載置して供給するための上下に移動可能なステージ４１を有している。ステージ４１は、材料供給部４０の底壁を構成している。ステージ４１は、たとえば、適宜の昇降機構によって、所定のピッチで昇降可能に設けられている。ステージ４１の昇降機構は、たとえば制御部９０に接続され、制御部９０によって制御される。また、材料供給部４０は、昇降式でなく材料粉末Ｐを落下させて供給する方式でもよい。

造形物Ｓの付加製造に用いられる材料粉末Ｐとしては、特に限定されないが、たとえば、熱間工具鋼、銅、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼などの金属材料の粉末、ポリアミドなどの樹脂材料の粉末、セラミックスの粉末などを用いることができる。本実施形態の付加製造装置１００は、材料粉末Ｐとして、たとえば、平均粒径が約３０μｍ程度で、粒径の範囲が約１５μｍから約４５μｍの金属材料の粉末を使用することができる。

付加製造部５０は、たとえば、前述の材料供給部４０と同様に、材料粉末Ｐを収容可能な凹状に設けられ、上部が開放されて上端に開口部を有している。付加製造部５０は、材料粉末Ｐを敷いて粉末床ＰＢを形成するためのステージ５１を有している。ステージ５１は、付加製造部５０の底壁を構成する。ステージ５１の上には、材料供給部４０から供給される材料粉末Ｐと、付加製造によって製造される造形物Ｓが載置される。

付加製造部５０の開口部と材料供給部４０の開口部は、たとえば、鉛直方向の高さがおおむね等しく、おおむね水平方向に並んでいる。付加製造用のステージ５１は、前述の材料供給用のステージ４１と同様に、たとえば、適宜の昇降機構によって、所定のピッチで昇降可能に設けられている。また、ステージ５１は、たとえば、ステージ５１を予熱するヒータを含む予熱機構を備えている。ステージ５１の昇降機構および予熱機構は、たとえば制御部９０に接続され、制御部９０によって制御される。

回収部６０は、たとえば、前述の材料供給部４０と同様に、材料粉末Ｐを収容可能な凹状に設けられ、上部が開放されて上端に開口部を有している。図示の例において、回収部６０の底壁は、下端部に固定されているが、材料供給部４０および付加製造部５０と同様に、昇降可能なステージによって構成されていてもよい。回収部６０の開口部と、付加製造部５０の開口部は、鉛直方向の高さがおおむね等しく、おおむね水平方向に並んでいる。回収部６０は、たとえば、リコータ７０によって材料供給部４０から付加製造部５０に供給された余分な材料粉末Ｐを収容して回収する。

リコータ７０は、材料供給部４０から供給される材料粉末Ｐを付加製造部５０のステージ５１上に運んで均しながら敷き詰めることで、ステージ５１上に粉末床ＰＢを形成する。リコータ７０は、たとえば、移動機構７５を備えている。移動機構７５は、たとえばリニアモータであり、材料供給部４０から付加製造部５０へ向かうおおむね水平な進行方向Ｄに沿って、リコータ７０を移動させる。

ビーム源８０は、たとえば、数Ｗから数ｋＷ程度の出力のレーザＬを発生させるレーザ光源を用いることができる。本実施形態の付加製造装置１００のビーム源８０は、たとえば、波長が１０８０ｎｍ、出力が５００Ｗのシングルモードファイバーレーザ、すなわちエネルギー強度がガウス分布のレーザを発生させるレーザ光源である。また、ビーム源８０は、たとえば、粉末床ＰＢ上でレーザＬを走査させるためのガルバノスキャナを含んでいる。

制御部９０は、たとえば、マイクロコントローラやファームウェアによって構成されている。制御部９０は、たとえば、ＣＰＵなどの処理装置と、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶装置と、記憶装置に記憶されたプログラムやデータと、付加製造装置１００の各部との信号のやり取りを行う入出力部とを備えている。制御部９０は、処理装置によって記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、ガス供給部２０、排気機構３０、材料供給部４０、付加製造部５０、およびビーム源８０を制御する。また、温度センサ１３、圧力センサ１４および酸素センサ１５の検出結果ならびにカメラの出力などが、制御部９０に入力される。

（付加製造方法）
次に、付加製造装置１００を用いた本実施形態の付加製造方法Ｍについて説明する。図１に示すように、本実施形態の付加製造方法Ｍは、たとえば造形準備工程Ｐ１と、付加製造工程Ｐ２とを有している。

図３は、図１の造形準備工程Ｐ１の詳細を示すフロー図である。造形準備工程Ｐ１において、設計者やエンジニアは、まず、データ準備Ｐ１０１を実施する。データ準備Ｐ１０１では、たとえば、付加製造方法Ｍによって製造する造形物Ｓの３Ｄ－ＣＡＤデータなどの三次元データを、専用の編集装置を用いて三次元データに基づいて、造形物Ｓを製造するための各種のパラメータを演算する。

さらに、このデータ準備Ｐ１０１において、専用の編集装置は、三次元データに基づいて、造形物Ｓのスライスデータを生成する。さらに、編集装置と制御部９０の記憶部を接続して、演算したレーザ照射の軌跡を記憶させる。制御部９０は、たとえば、生成したスライスデータに基づいて、ガス供給部２０、排気機構３０、材料供給部４０、付加製造部５０、リコータ７０、およびビーム源８０などを動作させるための制御量を演算する。以上により、データ準備Ｐ１０１が終了する。

次に、エンジニアは、ステージ５１の設置Ｐ１０２を行う。具体的には、付加製造部５０の造形面の高さにステージ５１の頂面を合わせ、付加製造部５０に材料粉末Ｐを敷くことができる状態にする。以降は、制御部９０の制御の下で付加製造装置１００がシーケンスに従って実施する。

制御部９０は、チャンバ１０の真空排気Ｐ１０３を実施する。具体的には、制御部９０は、たとえば、排気機構３０によってチャンバ１０の内部の気体を排出して、チャンバ１０の内部の圧力を低下させ、大気圧よりも低い真空圧の減圧環境とする。

制御部９０は、たとえば、この真空排気Ｐ１０３と並行して、酸素量すなわち酸素濃度の判定Ｐ１０４を実行する。この判定Ｐ１０４において、制御部９０は、酸素センサ１５の検出結果に基づいて、酸素量が規定範囲内か否かを判定する。減圧環境の酸素濃度の規定範囲は、たとえば、２０［ｐｐｍ］以下、１０［ｐｐｍ］以下、または、０．３［ｐｐｍ］以下に設定され、制御部９０の記憶部に記憶されている。

この判定Ｐ１０４において、制御部９０は、酸素量が規定範囲外である（ＮＯ）と判定すると、チャンバ１０の真空排気Ｐ１０３を継続し、酸素量が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定されるまで、この判定Ｐ１０４を繰り返し実行する。この判定Ｐ１０４において、制御部９０は、酸素量が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、ステージ５１の予熱Ｐ１０５を行う。

ステージ５１の予熱Ｐ１０５において、制御部９０は、たとえば、ステージ５１の予熱機構を制御して、ステージ５１を予熱する。制御部９０は、たとえば、ステージ５１の予熱Ｐ１０５と並行して、ステージ５１の温度の判定Ｐ１０６を行う。この温度の判定Ｐ１０６において、制御部９０は、温度センサ１３の検出結果に基づいて、ステージ５１の予熱温度が規定範囲内か否かを判定する。ステージ５１の予熱温度の規定範囲は、たとえば、９０［℃］以上、１１０［℃］以下、または、４５０［℃］以上、５５０［℃］以下のように設定され、制御部９０の記憶部に記憶されている。

この温度の判定Ｐ１０６において、制御部９０は、ステージ５１の温度が規定範囲外である（ＮＯ）と判定すると、ステージ５１の予熱機構の出力制御Ｐ１０７を実行する。そして、制御部９０は、この温度の判定Ｐ１０６において、ステージ５１の温度が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定されるまで、予熱機構の出力制御Ｐ１０７とステージ５１の予熱Ｐ１０５を繰り返し実行する。

また、ステージ５１の温度の判定Ｐ１０６において、制御部９０は、ステージ５１の温度が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、予熱Ｐ１０５を継続しつつ不活性ガスの供給Ｐ１０８を開始する。さらに、制御部９０は、チャンバ１０内の減圧環境の圧力調整Ｐ１０９と、圧力の判定Ｐ１１０と、圧力変化率の判定Ｐ１１１を行う。

具体的には、制御部９０は、たとえば、チャンバ１０内の圧力調整Ｐ１０９において、ガス供給部２０の流量制御弁の開度および排気機構３０の真空ポンプの出力を制御する。これにより、制御部９０は、チャンバ１０内への不活性ガスの供給量とチャンバ１０内からの排気量を調節して、チャンバ１０内の減圧環境の圧力を調整する。なお、ガス供給部２０によって供給する不活性ガスとしては、たとえば、窒素ガス、アルゴンガスなどを使用することができ、不活性ガスの供給量は、たとえば、約１５［ｌ／ｍｉｎ］とすることができる。

また、制御部９０は、圧力の判定Ｐ１１０において、圧力センサ１４の検出結果に基づいて、チャンバ１０内の減圧環境の圧力が、記憶部に記憶された規定範囲内であるか否かを判定する。この圧力の判定Ｐ１１０において、制御部９０は、チャンバ１０内の減圧環境の圧力が規定範囲外である（ＮＯ）と判定すると、チャンバ１０内の圧力調整Ｐ１０９と、圧力の判定Ｐ１１０とを繰り返す。

減圧環境の圧力の適切な範囲は、たとえば、不活性ガスの種類やステージ５１の予熱温度に応じて変化する。そのため、減圧環境の圧力の規定範囲は、たとえば、不活性ガスの種類とステージ５１の予熱温度に応じて設定され、制御部９０の記憶部に記憶されている。減圧環境の圧力の規定範囲は、不活性ガスの種類とステージ５１の予熱温度に応じて、たとえば、８０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に設定することができる。

より具体的には、不活性ガスが窒素ガスである場合には、減圧環境の圧力の規定範囲は、たとえば、８０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に設定することができる。また、不活性ガスが窒素ガスであり、ステージ５１の予熱温度を２００［℃］以上、６５０［℃］以下に設定する場合には、減圧環境の圧力を１２０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下、より詳細には、１２０００［Ｐａ］以上、１４０００［Ｐａ］以下に設定することができる。

また、不活性ガスがアルゴンガスである場合には、減圧環境の圧力の規定範囲は、たとえば、１２０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に設定することができる。また、不活性ガスがアルゴンガスであり、粉末床ＰＢの予熱温度を２００［℃］以上、６５０［℃］以下に設定する場合には、減圧環境の圧力を２００００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に設定することができる。

制御部９０は、圧力の判定Ｐ１１０において、チャンバ１０内の減圧環境の圧力が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、圧力変化率の判定Ｐ１１１を行う。ここで、チャンバ１０内の減圧環境の圧力変化率とは、たとえば、処理１１０の直前の規定時間内における減圧環境の圧力の変化量である。すなわち、圧力変化率の判定Ｐ１１１において、制御部９０は、たとえば、圧力センサ１４によって検出された圧力を所定の時間にわたって記憶装置に記憶させ、その所定の時間内の圧力の変化量を算出し、予め記憶装置に記憶された変化量の上限値と比較する。ここで、所定の時間は、たとえば１８０［ｓ］に設定することができ、変化量の上限値は、たとえば３００［Ｐａ］に設定することができる。

制御部９０は、この圧力変化率の判定Ｐ１１１において、減圧環境の圧力変化率が規定範囲外である（ＮＯ）と判定すると、減圧環境の圧力調整Ｐ１０９と、圧力の判定Ｐ１１０と、圧力変化率の判定Ｐ１１１を繰り返す。制御部９０は、この圧力変化率の判定Ｐ１１１において、減圧環境の圧力変化率が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、ステージ５１の高さ調整Ｐ１１２を実行する。

このステージ５１の高さ調整Ｐ１１２において、制御部９０は、たとえば、ステージ５１の予熱による膨張に起因する高さの増加分に応じて、ステージ５１の昇降機構を制御してステージ５１を下降させる。ステージ５１の高さの増加分は、熱膨張の演算によって求めてもよく、非接触位置センサなどによって検出してもよい。以上により、造形準備工程Ｐ１が終了する。

次に、制御部９０は、図１に示す付加製造工程Ｐ２を開始する。図４から図７は、それぞれ、付加製造工程Ｐ２に含まれる、付加製造処理Ｐ２ａ、温度モニタリング処理Ｐ２ｂ、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃ、および圧力モニタリング処理Ｐ２ｄの各処理のフロー図である。制御部９０は、たとえば、付加製造工程Ｐ２を開始すると、付加製造処理Ｐ２ａ、温度モニタリング処理Ｐ２ｂ、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃ、および圧力モニタリング処理Ｐ２ｄの各処理を並行して実施する。

制御部９０は、付加製造処理Ｐ２ａを開始すると、まず、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１を行う。粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１において、制御部９０は、たとえば、材料供給部４０のステージ４１を所定の高さで上昇させ、所定量の付加製造用の材料粉末Ｐを材料供給部４０の開口部よりも上方に押し上げる。制御部９０は、リコータ７０の移動機構７５を駆動させ、材料供給部４０の開口部および付加製造部５０の開口部を横断するように、リコータ７０を進行方向Ｄの前方へ移動させる。

これにより、材料供給部４０の開口部よりも上方に押し上げられた材料粉末Ｐが、材料供給部４０から付加製造部５０へ移動してステージ５１の上に敷き詰められて粉末床ＰＢが形成される。以上により、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１が完了する。次に、制御部９０は、粉末床ＰＢの状態判定Ｐ２０２を行う。

図８は、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１において、減圧したチャンバ１０内でステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ５１上に形成した粉末床ＰＢの一例を示す写真図である。制御部９０は、粉末床ＰＢの状態判定Ｐ２０２において、たとえば、粉末床ＰＢを撮影するカメラの出力に基づいて、粉末床ＰＢが均一か否かを判定する。たとえば、図８に示すように、粉末床ＰＢが均一に形成されている場合、制御部９０は、粉末床ＰＢが均一である（ＹＥＳ）と判定し、溶融結合Ｐ２０３を開始する。

一方、たとえば、粉末床ＰＢに凹凸や欠損が見られたり、ステージ５１が部分的に露出したりしている場合などは、制御部９０は、粉末床ＰＢが均一ではない（ＮＯ）と判定する。この場合、制御部９０は、判定回数の更新Ｐ２０４と、判定回数の判定Ｐ２０５を行う。

判定回数の更新Ｐ２０４において、制御部９０は、記憶部に記憶された状態判定Ｐ２０２の実施回数に１を加算して更新し、更新した実施回数を記憶部に上書きする。判定回数が規定回数の判定Ｐ２０５において、制御部９０は、記憶部に記憶された判定回数すなわち状態判定Ｐ２０２の実施回数が、記憶部に記憶された規定回数以下であるか否かを判定する。

この判定Ｐ２０５において、制御部９０は、判定回数が規定回数以下である（ＹＥＳ）と判定すると、制御部９０は、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１と、粉末床ＰＢの状態判定Ｐ２０２を繰り返す。一方、この判定Ｐ２０５において、判定回数が規定回数を超過している（ＮＯ）と判定すると、制御部９０は、付加製造処理Ｐ２ａを終了させ、図１に示す付加製造方法Ｍを終了させる。

なお、粉末床ＰＢの状態判定Ｐ２０２は必ずしも実施しなければならないものではない。たとえば、状態判定Ｐ２０２を行うことなく、粉末床ＰＢの状態にかかわらず、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１の動作が終わった時点で、溶融結合Ｐ２０３を開始してもよい。その場合、判定回数の更新Ｐ２０４および規定回数の判定Ｐ２０５も行わない。

制御部９０は、状態判定Ｐ２０２において粉末床ＰＢが均一である（ＹＥＳ）と判定して、溶融結合Ｐ２０３を開始すると、図２に示すビーム源８０を制御して、粉末床ＰＢにレーザＬを照射し、材料粉末Ｐを溶融結合させる。このとき、制御部９０は、造形準備工程Ｐ１のデータ準備Ｐ１０１で演算したパラメータおよび制御量に基づいて、ビーム源８０のガルバノスキャナを制御して、造形物Ｓのスライスデータから演算された軌跡に従いレーザＬを粉末床ＰＢ上で走査させて、対象となる層を造形する。

制御部９０は、溶融結合Ｐ２０３によってスライスデータに基づく造形物Ｓを構成する一層の造形が完了すると、層数の加算Ｐ２０６と、層数の判定Ｐ２０７を行う。層数の加算Ｐ２０６において、制御部９０は、記憶部に記憶された造形物Ｓの造形済みの層数に１を加算して、記憶部に上書きする。層数の判定Ｐ２０７において、制御部９０は、記憶部に記憶された造形物Ｓの造形済みの層数と、造形物Ｓの層数の合計である規定数とが等しいか否かを判定する。

この層数の判定Ｐ２０７において、制御部９０は、造形物Ｓの造形済みの層数が規定数未満である（ＮＯ）と判定すると、ステージ５１の高さ調整Ｐ２０８を行って、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１から層数の判定Ｐ２０７までの処理を繰り返す。ステージ５１の高さ調整Ｐ２０８において、制御部９０は、スライスデータに基づく造形物Ｓを構成する一層の高さに基づいて、ステージ５１の昇降機構を制御して、ステージ５１を下降させる。

一方、層数の判定Ｐ２０７において、制御部９０は、造形物Ｓの造形済みの層数が規定数に等しい（ＹＥＳ）と判定すると、付加製造処理Ｐ２ａを終了させ、図１に示す付加製造方法Ｍを終了させる。

また、制御部９０は、以上の付加製造処理Ｐ２ａと並行して、図５に示す温度モニタリング処理Ｐ２ｂを実施する。制御部９０は、温度モニタリング処理Ｐ２ｂを開始すると、まずステージ５１の温度測定Ｐ２１１と温度の判定Ｐ２１２を行う。ステージ５１の温度測定Ｐ２１１において、制御部９０は、温度センサ１３の検出結果に基づいて、ステージ５１の温度を測定する。また、温度の判定Ｐ２１２において、制御部９０は、温度測定Ｐ２１１で測定されたステージ５１の温度が、記憶部に記憶された規定温度範囲内か否かを判定する。

制御部９０は、判定Ｐ２１２において、ステージ５１の温度が規定温度範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、付加製造処理Ｐ２ａが終了するまで、ステージ５１の温度測定Ｐ２１１と温度の判定Ｐ２１２を繰り返す。一方、制御部９０は、判定Ｐ２１２において、ステージ５１の温度が規定温度範囲外である（ＮＯ）と判定すると、溶融結合Ｐ２０３の完了判定Ｐ２１３を行う。

制御部９０は、溶融結合の完了判定Ｐ２１３において、造形物Ｓを構成する一層の溶融結合Ｐ２０３が完了していない（ＮＯ）と判定すると、造形物Ｓを構成する一層の溶融結合Ｐ２０３が完了するまで、完了判定Ｐ２１３を繰り返し行う。制御部９０は、溶融結合の完了判定Ｐ２１３において、一層の溶融結合Ｐ２０３が完了した（ＹＥＳ）と判定すると、付加製造処理Ｐ２ａの停止Ｐ２１４と、ステージ５１の予熱機構の出力調整Ｐ２１５と、ステージ５１の温度の測定Ｐ２１６と、ステージ５１の温度の判定Ｐ２１７を行う。

ステージ５１の予熱機構の出力調整Ｐ２１５、ステージ５１の温度の測定Ｐ２１６および判定Ｐ２１７は、造形準備工程Ｐ１におけるステージ５１の予熱機構の出力制御Ｐ１０７、ステージ５１の予熱Ｐ１０５および温度の判定Ｐ１０６と同様に行うことができる。ステージ５１の温度の判定Ｐ２１７において、制御部９０は、ステージ５１の温度が規定範囲外である（ＮＯ）と判定すると、ステージ５１の予熱機構の出力調整Ｐ２１５、ステージ５１の温度の測定Ｐ２１６および判定Ｐ２１７を繰り返し実行する。

一方、ステージ５１の温度の判定Ｐ２１７において、制御部９０は、ステージ５１の温度が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、停止した付加製造処理Ｐ２ａを再開Ｐ２１８させて、温度モニタリング処理Ｐ２ｂを終了する。制御部９０は、たとえば、付加製造処理Ｐ２ａが終了するまで、温度モニタリング処理Ｐ２ｂを繰り返し実行する。

また、制御部９０は、前述の付加製造処理Ｐ２ａおよび温度モニタリング処理Ｐ２ｂと並行して、図６に示す酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃを実施する。制御部９０は、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃを開始すると、まず酸素量の測定Ｐ２２１と酸素量の判定Ｐ２２２を行う。酸素量の測定Ｐ２２１において、制御部９０は、酸素センサ１５の検出結果に基づいて、チャンバ１０内の酸素量を測定する。また、酸素量の判定Ｐ２２２において、制御部９０は、酸素量の測定Ｐ２２１で測定されたチャンバ１０内の酸素量が、記憶部に記憶された規定範囲内か否かを判定する。

制御部９０は、酸素量の判定Ｐ２２２において、チャンバ１０内の酸素量が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、付加製造処理Ｐ２ａが終了するまで、酸素量の測定Ｐ２２１と判定Ｐ２２２を繰り返す。一方、制御部９０は、酸素量の判定Ｐ２２２において、チャンバ１０内の酸素量が規定範囲外である（ＮＯ）と判定すると、溶融結合Ｐ２０３の完了判定Ｐ２２３を行う。

制御部９０は、溶融結合Ｐ２０３の完了判定Ｐ２２３において、造形物Ｓを構成する一層の溶融結合Ｐ２０３が完了していない（ＮＯ）と判定すると、造形物Ｓを構成する一層の溶融結合Ｐ２０３が完了するまで、完了判定Ｐ２２３を繰り返し行う。制御部９０は、完了判定Ｐ２２３において、一層の溶融結合Ｐ２０３が完了した（ＹＥＳ）と判定すると、付加製造処理Ｐ２ａの停止Ｐ２２４と、チャンバ１０の真空排気Ｐ２２５と、酸素量の判定Ｐ２２６を行う。真空排気Ｐ２２５および酸素量の判定Ｐ２２６は、それぞれ、造形準備工程Ｐ１における真空排気Ｐ１０３および酸素量の判定Ｐ１０４と同様に行うことができる。

制御部９０は、酸素量の判定Ｐ２２６において、酸素量が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、造形準備工程Ｐ１の不活性ガスの供給Ｐ２２７、圧力の調整Ｐ２２８、圧力の判定Ｐ２２９、および圧力変化率の判定Ｐ２３０を行う。これらの各工程は、前述の造形準備工程Ｐ１の不活性ガスの供給Ｐ１０８、圧力調整Ｐ１０９、圧力の判定Ｐ１１０、および圧力変化率の判定Ｐ１１１と同様に行うことができる。

制御部９０は、圧力の判定Ｐ２２９および圧力変化率の判定Ｐ２３０において、チャンバ１０内の圧力およびその変化率が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、付加製造処理Ｐ２ａを再開Ｐ２３１する。以上により、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃが終了する。制御部９０は、付加製造処理Ｐ２ａが終了するまで、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃを繰り返し実行する。

また、制御部９０は、前述の付加製造処理Ｐ２ａ、温度モニタリング処理Ｐ２ｂ、および酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃと並行して、図７に示す圧力モニタリング処理Ｐ２ｄを実施する。制御部９０は、圧力モニタリング処理Ｐ２ｄを開始すると、まず圧力の測定Ｐ２４１と圧力の判定Ｐ２４２を行う。圧力の測定Ｐ２４１において、制御部９０は、圧力センサ１４の検出結果に基づいて、チャンバ１０内の圧力を測定する。また、圧力の判定Ｐ２４２において、制御部９０は、圧力の測定Ｐ２４１で測定されたチャンバ１０内の圧力が、記憶部に記憶された規定範囲内か否かを判定する。

制御部９０は、圧力の判定Ｐ２４２において、チャンバ１０内の圧力が規定範囲内である（ＹＥＳ）と判定すると、付加製造処理Ｐ２ａが終了するまで、圧力の測定Ｐ２４１と判定Ｐ２４２を繰り返す。一方、制御部９０は、圧力の判定Ｐ２４２において、チャンバ１０内の圧力が規定範囲外である（ＮＯ）と判定すると、造形物Ｓを構成する一層の溶融結合Ｐ２０３の完了判定Ｐ２４３を行う。この溶融結合Ｐ２０３の完了判定Ｐ２４３は、温度モニタリング処理Ｐ２ｂおよび酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃにおける完了判定Ｐ２１３，Ｐ２２３と同様に行うことができる。

また、圧力モニタリング処理Ｐ２ｄにおける溶融結合Ｐ２０３の完了判定Ｐ２４３以降の処理、すなわち付加製造処理Ｐ２ａの停止Ｐ２４４から再開Ｐ２５１までの処理は、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃにおける付加製造処理Ｐ２ａの停止Ｐ２２４から再開Ｐ２３１までの処理と同様に行うことができる。以上により、圧力モニタリング処理Ｐ２ｄが終了する。制御部９０は、付加製造処理Ｐ２ａが終了するまで、圧力モニタリング処理Ｐ２ｄを繰り返し実行する。

以下、本実施形態の付加製造方法Ｍの作用を説明する。

本実施形態の付加製造方法Ｍは、前述のように、チャンバ１０内のステージ５１の上に粉末床ＰＢを形成し、その粉末床ＰＢにレーザＬを照射して溶融結合Ｐ２０３により造形物Ｓを製造する方法である。本実施形態の付加製造方法Ｍは、チャンバ１０内の圧力を８０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に減圧し、ステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ５１上に粉末床ＰＢを形成することを特徴としている。

このような構成により、造形物Ｓが造形されるチャンバ１０内の減圧環境の酸素量を十分に低下させ、付加製造時に造形物Ｓに取り込まれる酸素を低減させ、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１および溶融結合Ｐ２０３における材料の酸化を抑制することができる。したがって、造形物Ｓの付加製造に、割れ感受性の高い材料、すなわち高硬度で延性が低い材料を使用しても、それらの材料が脆性状態になること、および脆性的な特性を有することを抑制し、造形物Ｓの割れを抑制しながら、造形物Ｓを製造することが可能になる。

さらに、減圧環境で造形物Ｓの付加製造処理Ｐ２ａを行うことで、ステージ５１の予熱Ｐ１０５において、ステージ５１から環境中への放熱を低減してエネルギーロスを削減することができる。また、不活性ガスを供給しながら造形物Ｓの付加製造を行うことで、レーザＬの照射による粉末床ＰＢの溶融結合Ｐ２０３で発生する金属蒸気を、不活性ガスの流れによって、造形物Ｓの造形を行う減圧環境から排出することができ、造形物Ｓの品質を向上させることができる。

また、チャンバ１０内の圧力を上記範囲とすることで、チャンバ１０内を減圧し、ステージ５１の予熱Ｐ１０５と不活性ガスの供給を行いながらステージ５１上に粉末床ＰＢを形成しても、図８のように均一な粉末床ＰＢを形成することができる。これに対し、チャンバ１０内を上記の圧力の範囲外で減圧し、ステージ５１の予熱Ｐ１０５と不活性ガスの供給を行いながらステージ５１上に粉末床ＰＢを形成すると、たとえば図９や図１０のように、粉末床ＰＢを形成することができない。この理由は定かではないが、たとえば、加熱機構を備えた高温のステージ５１の近傍において、不活性ガスが膨張することによる影響などが想定される。

また、本実施形態の付加製造方法Ｍにおいて、チャンバ１０内に供給する不活性ガスを窒素ガスとすることで、上記のような広い圧力範囲で粉末床ＰＢを形成することが可能になる。さらに、不活性ガスを窒素ガスとした場合、チャンバ１０内の圧力を１２０００［Ｐａ］以上とし、ステージ５１の予熱温度を２００［℃］以上、６５０［℃］以下にすることができる。これにより、図８に示すように、チャンバ１０内を減圧し、ステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながら、ステージ５１上に平坦で均一な粉末床ＰＢを形成することが可能になる。

また、本実施形態の付加製造方法Ｍにおいて、不活性ガスをアルゴンガスとし、減圧環境の圧力を１２０００［Ｐａ］以上にすることで、不活性ガスの供給とステージ５１の予熱を行いながら、ステージ５１上に粉末床ＰＢを形成することが可能になる。これに対し、不活性ガスをアルゴンガスとし、チャンバ１０内の圧力を１２０００［Ｐａ］未満にすると、ステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながら、ステージ５１上に粉末床ＰＢを形成することが困難になる。

また、本実施形態の付加製造方法Ｍにおいて、不活性ガスをアルゴンガスとする場合には、ステージ５１の予熱温度を２００［℃］以上、６５０［℃］以下とする場合には、チャンバ１０内の圧力を２００００［Ｐａ］以上とすることが好ましい。これにより、図８に示すように、チャンバ１０内を減圧し、ステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながら、ステージ５１上に平坦で均一な粉末床ＰＢを形成することが可能になる。これに対し、不活性ガスをアルゴンガスとし、ステージ５１を２００［℃］以上、６５０［℃］以下にする場合、チャンバ１０内の圧力を２００００［Ｐａ］未満にすると、ステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ５１上に粉末床ＰＢの形成を行う場合に、図９に示すように、平坦で均一な粉末床ＰＢの形成が困難になる。

また、本実施形態の付加製造方法Ｍは、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１および予熱と溶融結合Ｐ２０３とを繰り返す付加製造処理Ｐ２ａ中に、ステージ５１の予熱温度が規定された温度範囲内となるように予熱温度を制御する温度モニタリング処理Ｐ２ｂを含む。このように、ステージ５１の予熱温度を制御することで、前述のような高硬度で延性が低い材料を使用する場合に、造形物Ｓの割れを抑制することが可能になる。

また、本実施形態の付加製造方法Ｍは、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１および予熱と溶融結合Ｐ２０３とを繰り返す付加製造処理Ｐ２ａ中に、チャンバ１０内において１８０［ｓ］で３００［Ｐａ］以上の圧力変化量が測定された場合に、圧力変化量の測定時の溶融結合Ｐ２０３の完了後に、チャンバ１０内の真空排気Ｐ２４５と、チャンバ１０内の酸素量および圧力の調整と、を行う、圧力モニタリング処理Ｐ２ｄを含む。このように、減圧環境の圧力の変化率を所定の範囲以下に制御することで、不活性ガスの供給と排気を安定させ、造形物Ｓの欠陥率を低下させることができる。圧力の増加は、レーザ照射によって粉末床ＰＢを溶融凝固させた場合に生じるガス成分や金属蒸気の影響によって起こる。一方、圧力の低下はガス供給と排気能力のバランスにおいて排気能力が上回った場合に発生する。これらの要因によって、圧力の変動が生じる。

また、本実施形態の付加製造方法Ｍは、粉末床ＰＢの形成Ｐ２０１および予熱と溶融結合Ｐ２０３とを繰り返す付加製造処理Ｐ２ａ中に、チャンバ１０内において規定値以上の酸素量が測定された場合に、規定値以上の酸素量が測定された直後の溶融結合Ｐ２０３の完了後に、チャンバ１０内の真空排気Ｐ２２５と、チャンバ１０内の酸素量および圧力の調整とを行う、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃを含む。このように、減圧環境の酸素量を規定値以下に制御することで、材料の酸化を効果的に抑制することができ、高硬度で延性が低い材料を使用しても、造形物Ｓの割れを抑制しながら、造形物Ｓを製造することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、チャンバ１０内を減圧し、ステージ５１の予熱と不活性ガスの供給を行いながらステージ５１上に粉末床ＰＢを形成しても、均一な粉末床ＰＢを形成可能で、安定した溶融結合Ｐ２０３が可能な付加製造方法Ｍを提供することができる。

以上、図面を用いて本開示に係る付加製造方法の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。

以下、本開示の付加製造方法にかかる実施例１および実施例２を説明する。

［実施例１］
材料粉末Ｐとして、熱間工具鋼鋼材（ＪＩＳ ＳＫＤ６１）の粉末を使用し、前述の実施形態で説明した造形準備工程Ｐ１と付加製造工程Ｐ２を含む付加製造方法Ｍによって造形物Ｓを製造した。なお、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃの酸素量の判定Ｐ２２２における酸素量の規定範囲は、０．３［ｐｐｍ］以下に設定した。また、造形準備工程Ｐ１および温度モニタリング処理Ｐ２ｂの温度の判定Ｐ１０６，Ｐ２１２におけるステージ５１の予熱温度の範囲は、４５０［℃］以上、５５０［℃］以下に設定した。また、不活性ガスは窒素ガスとし、供給量を１５［ｌ／ｍｉｎ］とし、チャンバ１０内の圧力を１２０００［Ｐａ］以上、１４０００［Ｐａ］以下に制御した。

図１１は、実施例１による造形物Ｓの浸透探傷試験の結果を示す写真である。図１２は、実施例１の造形物Ｓの断面を拡大した写真である。実施例１による造形物Ｓは、探傷試験の結果、割れは確認されなかった。

［実施例２］
材料粉末Ｐとして、ニッケル基合金（Ａｌｌｏｙ７１８）の粉末を使用し、前述の実施形態で説明した造形準備工程Ｐ１と付加製造工程Ｐ２を含む付加製造方法Ｍによって造形物Ｓを製造した。なお、酸素量モニタリング処理Ｐ２ｃの酸素量の判定Ｐ２２２における酸素量の規定範囲は、０．３［ｐｐｍ］以下に設定した。また、造形準備工程Ｐ１および温度モニタリング処理Ｐ２ｂの温度の判定Ｐ１０６，Ｐ２１２におけるステージ５１の予熱温度の範囲は、６０［℃］以上、８０［℃］以下に設定した。また、不活性ガスはアルゴンガスとし、供給量を１５［ｌ／ｍｉｎ］とし、チャンバ内の減圧環境の圧力を１２０００［Ｐａ］以上、１４０００［Ｐａ］以下に制御した。本実施例で使用したニッケル合金の材料粉末Ｐは、付加製造において予熱を必要としない材料であるが、本実施例の付加製造方法により、減圧環境の酸素量を低減することができ、造形物Ｓの酸素量を約９０［ｐｐｍ］に低減することができた。

１０ チャンバ
５１ ステージ
Ｌ レーザ
Ｍ 付加製造方法
Ｐ２ａ 付加製造処理
Ｐ１０２ ステージの設置
Ｐ１０５ ステージの予熱
Ｐ２０３ 溶融結合
Ｐ２１５ 出力の制御（予熱温度の制御）
Ｐ２１６ 温度の測定（予熱温度の制御）
Ｐ２１７ 温度の判定（予熱温度の制御）
Ｐ２２５ 真空排気（酸素量の調整）
Ｐ２２６ 酸素量の判定（酸素量の調整）
Ｐ２２８ 圧力の調整
Ｐ２４５ 真空排気（酸素量の調整）
Ｐ２４６ 酸素量の判定（酸素量の調整）
Ｐ２４８ 圧力の調整
ＰＢ 粉末床
Ｓ 造形物

Claims (8)

1. チャンバ内のステージの上に粉末床を形成し、前記粉末床にレーザを照射して溶融結合により造形物を製造する付加製造方法であって、
   前記チャンバ内の圧力を８０００［Ｐａ］以上、３００００［Ｐａ］以下に減圧し、
   前記ステージの予熱と不活性ガスの供給を行いながら前記ステージの上に前記粉末床を形成することを特徴とする付加製造方法。
2. 前記不活性ガスを窒素ガスとする、
   請求項１に記載の付加製造方法。
3. 前記チャンバ内の圧力を１２０００［Ｐａ］以上とし、
   前記ステージの予熱温度を２００［℃］以上、６５０［℃］以下にする、請求項２に記載の付加製造方法。
4. 前記不活性ガスをアルゴンガスとし、
   前記チャンバ内の圧力を１２０００［Ｐａ］以上にする、
   請求項１に記載の付加製造方法。
5. 前記チャンバ内の圧力を２００００［Ｐａ］以上とし、
   前記ステージの予熱温度を２００［℃］以上、６５０［℃］以下にする、請求項４に記載の付加製造方法。
6. 前記粉末床の形成と前記溶融結合とを繰り返す付加製造中に、前記ステージの予熱温度が規定された温度範囲内となるように前記予熱温度を制御する、
   請求項１に記載の付加製造方法。
7. 前記粉末床の形成と前記溶融結合とを繰り返す付加製造中に、前記チャンバ内において１８０［ｓ］で３００［Ｐａ］以上の圧力変化量が測定された場合に、前記圧力変化量の測定時の前記溶融結合の完了後に、前記チャンバ内の真空排気と、前記チャンバ内の酸素量および圧力の調整と、を行う、
   請求項１に記載の付加製造方法。
8. 前記粉末床の形成と前記溶融結合とを繰り返す付加製造中に、前記チャンバ内において規定値以上の酸素量が測定された場合に、前記規定値以上の酸素量が測定された直後の前記溶融結合の完了後に、前記チャンバ内の真空排気と、前記チャンバ内の酸素量および圧力の調整とを行う、
   請求項１に記載の付加製造方法。

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