JP2022099636A - 付加製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビードの形成に伴う蓄熱の影響を抑制することができて、高品質な付加製造物を付加製造することができる付加製造装置を提供すること。【解決手段】付加製造装置の制御装置は、前回のビードＮ１の形成に伴って照射された少なくとも保温光ビームによる熱を蓄熱することによって基材Ｂの造形面Ｂ１に生じた蓄熱範囲ＳＲから離間した位置を今回のビードＮ２を形成する形成位置ＢＢとして決定する。【選択図】図１２

Description

本発明は、付加製造装置に関する。

付加製造には、例えば、指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition）方式、粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion）方式等があることが知られている。指向性エネルギー堆積方式は、光ビーム（レーザビーム及び電子ビーム等）の照射と材料の供給を行う加工ヘッドの位置を制御することで付加製造を行う。指向性エネルギー堆積方式には、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）、ＤＭＰ（Direct Metal Printing）等が含まれる。粉末床溶融結合方式は、平らに敷き詰められた粉末材料に対して、光ビームを照射することで付加製造を行う。粉末床溶融結合方式には、ＳＬＭ（Selective Laser Melting）、ＥＢＭ（Electron Beam Melting）等が含まれる。

例えば、指向性エネルギー堆積方式のＬＭＤは、硬質材を含む粉末材料等を噴射しながら光ビームを照射することにより、粉末材料等を溶融させた後に凝固させることができる。これにより、ＬＭＤは、例えば、基材に対して部分的に硬質材の付加製造物を付加する肉盛技術として利用されている。

そして、例えば、特許文献１には、複数のビードを基材に形成する付加製造装置が開示されている。従来の付加製造装置においては、前回形成したビードに隣接して今回のビードを形成するようになっている。

特開２０２０－１２４７２２号公報

ところで、従来の付加製造装置では、複数のビードを形成する場合、前回形成したビードに隣接するように、或いは、前回形成したビードに接触するように、今回のビードを形成する。ビードを形成する場合、光ビームが照射されることにより、供給される粉末材料と基材の一部とが溶融した溶融池が形成される。この状態において、形成されたビードの近傍の基材の温度は、照射された光ビームによるエネルギー即ち熱が蓄熱されることにより、ビードが形成されていない部分よりも高い状態になる。

このため、前回形成したビードに隣接するように今回のビードを形成する場合、今回のビードを形成する形成位置における基材の温度が高いため、溶融池を形成するために供給されるエネルギーが過多になる。その結果、溶融池が過剰に拡大することによって溶融池における粉末材料の成分（硬質材等）の希釈化が生じ、ビード即ち付加製造物の強度等に影響を及ぼす虞がある。従って、今回のビードを形成する形成位置においては、前回ビードが形成されたことに起因する蓄熱の影響を抑制し、供給されるエネルギーが過多にならないようにすることが必要である。

本発明は、ビードの形成に伴う蓄熱の影響を抑制することができて、高品質な付加製造物を付加製造することができる付加製造装置を提供することを目的とする。

付加製造装置は、硬質材及び超硬バインダを含む粉末材料を基材に供給する粉末材料供給装置と、基材に供給された粉末材料を粉末材料の融点以上に加熱して溶融する溶融光ビームを照射する溶融光ビーム照射装置と、溶融光ビームが照射される照射範囲である溶融光照射範囲の外側にて加熱して保温する保温光ビームを照射する保温光ビーム照射装置と、溶融光ビーム及び保温光ビームの照射、並びに、基材に対する溶融光ビーム及び保温光ビームの相対的な走査について、溶融光ビーム照射装置及び保温光ビーム照射装置の各々を独立して制御する制御装置と、を備え、基材に複数のビードを形成することによって付加製造物を付加製造する付加製造装置であって、制御装置は、少なくとも前回のビードの形成に伴って照射された保温光ビームによる熱を蓄熱することによって基材に生じた蓄熱範囲から離間した位置を今回のビードを形成する形成位置として決定する。

これによれば、制御装置は、前回のビードの形成に伴い、少なくとも保温光ビームが照射されることによる熱によって基材に生じた蓄熱範囲から離間した位置を、今回のビードを形成する形成位置として決定することができる。これにより、今回のビードを形成する際には、溶融光ビーム及び保温光ビームによって基材に供給されるエネルギーが過多になることを抑制することができ、その結果、今回のビードを形成する溶融池の過剰な拡大を抑制することができる。従って、付加製造装置は、高品質な付加製造物を付加製造することができる。

付加製造装置を示す図である。 図１の付加製造装置の移動装置を説明するための図である。 溶融光ビームの溶融光照射範囲と保温光ビームの保温光照射範囲とを説明するための図である。 図１の付加製造装置において基材に付加製造物を付加製造する場合のパワー密度と光照射範囲との関係を示すビームプロファイルである。 図１の付加製造装置による付加製造物を付加製造する際の基材に付加した付加製造物の初期状態を示す断面図である。 図５の状態から走査が進んだときの基材に付加製造した付加製造物の途中状態及び付加状態を示す断面図である。 ビードの形成に伴って生じる蓄熱範囲を説明するための図である。 隣接してビードが形成された際の蓄熱範囲の拡大及び溶融池の拡大を説明するための図である。 ビードの形成位置を説明するための図である。 付加製造装置制御プログラムのフローチャートである。 最初のビードが形成された状態を説明するための図である。 図１１の基材を４分の１周分回転させて次のビードが形成された状態を説明するための図である。 図１２の基材を４分の１周分回転させて次のビードが形成された状態を説明するための図である。 第一別例に係り、螺旋状にビードを形成する場合を説明するための図である。 第二別例に係り、平面を有する基材にビードを形成する場合を説明するための図である。

（１．付加製造装置の概要）
本例の付加製造装置は、例えば、指向性エネルギー堆積方式であってＬＭＤ方式を採用する。本例において、付加製造装置は、硬質材である硬質粉末材料に結合粉末材料を混合した粉末材料を基材に向けて噴射しながら光ビームを照射することにより、基材に硬質の付加製造物を付加製造する。粉末材料、特に、硬質粉末材料と基材は、異なる材料でも良く、同一種類の材料でも良い。更に、粉末材料は、硬質粉末材料と結合粉末材料とを固めた造粒粉末でも良い。

本例では、硬質材である炭化タングステン（ＷＣ）の硬質粉末材料を用いて造形される硬質の付加製造物を、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用いて形成された基材に付加製造する場合について説明する。尚、硬質材については、例えば、付加製造時に割れが発生するような他の硬質材、例えば、高速度鋼等を用いることも可能である。尚、粉末材料として、例えば、温度によって硬さが変化する炭素鋼等の鉄系材料を用いることも可能である。

本例においては、結合粉末材料は、炭化タングステン（ＷＣ）を結合する超硬バインダとして作用するコバルト（Ｃｏ）を用いる。ここで、炭化タングステン（ＷＣ）の融点（凝固点）は、２８７０℃であり、超硬バインダであるコバルト（Ｃｏ）の融点（凝固点）の１４９５℃よりも高い。尚、本例においては、硬質バインダとしてコバルト（Ｃｏ）を用いる。しかし、硬質バインダはコバルト（Ｃｏ）に限られず、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を硬質バインダとして用いることも可能である。

（２．付加製造装置１００の構成）
図１に示すように、付加製造装置１００は、粉末材料供給装置１１０、光ビーム照射装置１２０及び制御装置１３０を主に備える。尚、本例の付加製造装置１００の基本的な構造及び動作については、周知のＬＭＤ型の付加製造装置と同等である。このため、付加製造装置１００についての詳細な構成及び動作等の説明については省略する。

粉末材料供給装置１１０は、ホッパ１１１、バルブ１１２、ガスボンベ１１３及び噴射ノズル１１４を備える。ホッパ１１１は、結合粉末材料Ｐ２が混合された硬質粉末材料Ｐ１を貯蔵する。尚、以下の説明において、硬質粉末材料Ｐ１と結合粉末材料Ｐ２とを混合した粉末材料を単に「粉末材料Ｐ」と称呼する。

バルブ１１２は、粉末導入バルブ１１２ａ、粉末供給バルブ１１２ｂ及びガス導入バルブ１１２ｃを備える。粉末導入バルブ１１２ａは、配管１１１ａを介してホッパ１１１と接続される。粉末供給バルブ１１２ｂは、配管１１４ａを介して噴射ノズル１１４と接続される。ガス導入バルブ１１２ｃは、配管１１３ａを介してガスボンベ１１３と接続される。

噴射ノズル１１４及び配管１１４ａは、噴射ノズル１１４側に傾斜部分を有する筒状の容器１１５に収容される。噴射ノズル１１４は、容器１１５の傾斜部分の先端に配置される。そして、噴射ノズル１１４は、配管１１４ａを介して、例えば、ガスボンベ１１３から供給される高圧の窒素により、粉末材料Ｐを基材Ｂ、より詳しくは、付加製造物ＦＦを造形する造形面Ｂ１に向けて噴射する。尚、粉末材料Ｐを噴射するガスは、窒素に限定されるものではなく、アルゴン等の不活性ガスであっても良い。

光ビーム照射装置１２０は、溶融光ビーム照射装置１２１と、保温光ビーム照射装置１２２と、を備える。又、光ビーム照射装置１２０は、溶融光ビーム照射装置１２１及び保温光ビーム照射装置１２２の各々を独立して相対移動させる、又は、溶融光ビーム照射装置１２１及び保温光ビーム照射装置１２２を一体に移動させる移動装置１２３を備える。ここで、図１及び図２に示すように、溶融光ビーム照射装置１２１と保温光ビーム照射装置１２２とは、移動装置１２３によって各々が照射する光ビームの照射方向（光軸）が交差する、或いは、ねじれの位置関係を有するように配置される。

つまり、図３に示すように、溶融光ビーム照射装置１２１と保温光ビーム照射装置１２２とは、溶融光ビーム照射装置１２１による溶融光ビームＭＢＭの照射範囲と、保温光ビーム照射装置１２２による保温光ビームＫＢＭの照射範囲と、が重畳するように（重なるように）、配置される。ここで、以下の説明において、溶融光ビーム照射装置１２１による溶融光ビームＭＢＭの照射範囲を、溶融光ビームＭＢＭによって加熱される溶融光照射範囲ＭＳと称呼し、保温光ビーム照射装置１２２による保温光ビームＫＢＭの照射範囲を、保温光ビームＫＢＭによって保温（予熱或いは加熱）される保温光照射範囲ＫＳと称呼する。

溶融光ビーム照射装置１２１は、溶融光ビーム生成部１２１ａにより生成され供給される溶融光ビームＭＢＭを基材Ｂの造形面Ｂ１に直交するように照射する溶融光ビーム照射部１２１ｂを備える。溶融光ビーム生成部１２１ａは、制御装置１３０によって制御されて、溶融光ビームＭＢＭを生成する。

溶融光ビーム照射部１２１ｂは、容器１１５の内部において、噴射ノズル１１４の近傍に配置される。具体的に、溶融光ビーム照射部１２１ｂは、噴射ノズル１１４から噴射される粉末材料Ｐの供給位置に向けて溶融光ビームＭＢＭが照射可能となるように、換言すれば、溶融光照射範囲ＭＳに向けて噴射ノズル１１４から噴射される粉末材料Ｐ及び造形面Ｂ１（基材Ｂ）を加熱するように、容器１１５の傾斜部分の先端に配置される。

溶融光ビームＭＢＭは、容器１１５の内部に配置された図示省略のコリメータレンズや集光レンズ等の光学系を通して溶融光ビームＭＢＭを照射する。そして、溶融光ビームＭＢＭは、図１に示すように、造形面Ｂ１（基材Ｂ）において粉末材料供給装置１１０から供給された粉末材料Ｐを溶融することにより溶融池ＭＰを形成する。尚、「加工ヘッド」は、噴射ノズル１１４、溶融光ビーム照射装置１２１及び容器１１５を含んで構成される。これにより、粉末材料Ｐと溶融光ビームＭＢＭとは一体に移動するため、粉末材料Ｐは溶融光ビームＭＢＭが照射される溶融光照射範囲ＭＳに噴射される。

保温光ビーム照射装置１２２は、保温光ビーム生成部１２２ａにより生成され供給される保温光ビームＫＢＭを基材Ｂの造形面Ｂ１に照射する保温光ビーム照射部１２２ｂを備える。保温光ビーム照射装置１２２は、保温光ビームＫＢＭの照射方向（光軸）が、溶融光ビーム照射装置１２１による溶融光ビームＭＢＭの照射方向（光軸）に対して傾きを有するように配置される。保温光ビーム照射装置１２２は、造形面Ｂ１（基材Ｂ）及び造形面Ｂ１における保温光照射範囲ＫＳに供給されて未溶融の状態にある粉末材料Ｐを加熱して（或いは、予熱して）保温する。

保温光ビーム生成部１２２ａは、制御装置１３０によって制御されて、保温光ビームＫＢＭを生成する。保温光ビーム照射部１２２ｂは、筒状の容器１２２ｃにおいて、基材Ｂ（造形面Ｂ１）に対向する先端に配置される。具体的に、保温光ビーム照射部１２２ｂは、溶融光ビーム照射装置１２１から照射された溶融光ビームＭＢＭの溶融光照射範囲ＭＳに対して保温光照射範囲ＫＳを重ねて保温光ビームＫＢＭが照射可能となるように、容器１２２ｃの先端に配置される。又、保温光ビーム照射部１２２ｂは、形成された溶融池ＭＰに対し、溶融光ビーム照射装置１２１の走査方向にて前側及び後側、特に、少なくとも後側に向けて保温光ビームＫＢＭが照射可能となるように、容器１２２ｃの先端に配置される。

保温光ビームＫＢＭは、容器１２２ｃの内部に配置された図示省略のコリメータレンズや集光レンズ等の光学系を通して保温光ビームＫＢＭを照射する。そして、保温光ビームＫＢＭは、保温光照射範囲ＫＳの内部において、基材Ｂの造形面Ｂ１及び供給された未溶融の粉末材料Ｐを予熱（加熱）すると共に、溶融光ビームＭＢＭによって形成された溶融池ＭＰを保温する。

移動装置１２３は、図２に示すように、第一ロボットアーム１２３ａ及び第二ロボットアーム１２３ｂを主に備える。第一ロボットアーム１２３ａは、溶融光ビーム照射装置１２１（即ち、加工ヘッド）を支持する。そして、第一ロボットアーム１２３ａは、基材Ｂの造形面Ｂ１に対して、溶融光ビームＭＢＭの照射方向（即ち、溶融光ビームＭＢＭの光軸）が直交する状態で、溶融光ビーム照射装置１２１を相対変位させる。

第二ロボットアーム１２３ｂは、保温光ビーム照射装置１２２を支持する。具体的に、第二ロボットアーム１２３ｂは、溶融光ビームＭＢＭの照射方向（溶融光ビームＭＢＭの光軸）に対して保温光ビームＫＢＭの照射方向（即ち、保温光ビームＫＢＭの光軸）が傾いた姿勢、換言すれば、造形面Ｂ１に対して保温光ビームＫＢＭの照射方向（保温光ビームＫＢＭの光軸）が傾いた姿勢で、保温光ビーム照射装置１２２を支持する。そして、本例の第二ロボットアーム１２３ｂは、保温光ビーム照射装置１２２を、溶融光ビーム照射装置１２１に追従させて、基材Ｂに対して相対変位させる。

ここで、本例においては、図３に示すように、溶融光ビーム照射装置１２１は、円形状の照射形状となる溶融光ビームＭＢＭを照射する。又、保温光ビーム照射装置１２２は、溶融光ビームＭＢＭの溶融光照射範囲ＭＳに重畳し且つ溶融光ビームＭＢＭの溶融光照射範囲ＭＳの外側を囲う（即ち、溶融光照射範囲ＭＳを内部に含む）四角形状の照射形状となる保温光ビームＫＢＭを照射する。即ち、保温光ビーム照射装置１２２が保温光ビームＫＢＭを照射する保温光照射範囲ＫＳは、溶融光ビーム照射装置１２１が溶融光ビームＭＢＭを照射する溶融光照射範囲ＭＳよりも広くなる。

これにより、溶融光照射範囲ＭＳに照射される溶融光ビームＭＢＭは、主として、基材Ｂの造形面Ｂ１において粉末材料Ｐを溶融することにより、図１に示すように、複数のビードＮによる付加製造物ＦＦを付加製造する。又、保温光照射範囲ＫＳに照射される保温光ビームＫＢＭは、主として、基材Ｂの造形面Ｂ１を予熱する。又、保温光照射範囲ＫＳに照射される保温光ビームＫＢＭは、主として、基材Ｂの造形面Ｂ１に付加製造された付加製造物ＦＦ（より詳しくは、粉末材料Ｐが溶融した溶融池ＭＰ）の温度低下を抑制するように保温する。

尚、本例においては、溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭとして、レーザ光を用いる。しかしながら、溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭは、レーザ光に限られず、電磁波であれば例えば電子ビームを用いることも可能である。又、本例においては、円形状の溶融光ビームＭＢＭ（即ち、溶融光照射範囲ＭＳ）に対して四角形状の保温光ビームＫＢＭ（即ち、保温光照射範囲ＫＳ）を重畳するように照射するが、照射形状についてはこれらに限定されるものではない。

制御装置１３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース等を主要構成部品とするコンピュータ装置である。制御装置１３０は、粉末材料供給装置１１０の粉末供給を制御する。具体的に、制御装置１３０は、粉末供給バルブ１１２ｂ及びガス導入バルブ１１２ｃの開閉を制御することにより、噴射ノズル１１４から基材Ｂの造形面Ｂ１に向けた粉末材料Ｐの噴射供給を制御する。

又、制御装置１３０は、光ビーム照射装置１２０即ち溶融光ビーム照射装置１２１、保温光ビーム照射装置１２２及び移動装置１２３の光照射を制御する。具体的に、制御装置１３０は、溶融光ビーム照射装置１２１の溶融光ビーム生成部１２１ａ及び保温光ビーム照射装置１２２の保温光ビーム生成部１２２ａの動作をそれぞれ制御する。これにより、制御装置１３０は、溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭの各々の出力条件を独立して制御する。ここで、出力条件としては、例えば、それぞれのレーザ出力や、図４に示すように、溶融光ビームＭＢＭの照射範囲である溶融光照射範囲ＭＳ及び保温光ビームＫＢＭの照射範囲である保温光照射範囲ＫＳの各単位面積当たりのレーザ出力（Ｗ）であるパワー密度の分布形状、即ち、ビームプロファイルを挙げることができる。

ここで、制御装置１３０は、図４に示すように、溶融光ビームＭＢＭのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークＭＢＰ１を、保温光ビームＫＢＭのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークＫＢＰ１より増加させる制御を行う。溶融光ビームＭＢＭのレーザ出力は、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を溶融して溶融池ＭＰを形成できる温度となるように制御される。又、保温光ビームＫＢＭのレーザ出力は、硬質粉末材料Ｐ１、結合粉末材料Ｐ２及び基材Ｂ（造形面Ｂ１）を溶融させることがない温度となるように制御される。

又、制御装置１３０は、移動装置１２３の第一ロボットアーム１２３ａ及び第二ロボットアーム１２３ｂを作動させることにより、保温光ビームＫＢＭを溶融光ビームＭＢＭの移動（軌跡）に追従させる。更に、制御装置１３０は、基材Ｂの造形面Ｂ１に対する溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭの相対的な走査を制御する。具体的に、本例においては、制御装置１３０は、モータＭ１の回転を制御して基材Ｂを中心軸線Ｃの回りに回転させると共に、モータＭ２の回転を制御して基材Ｂを中心軸線Ｃの方向に移動させる。これにより、基材Ｂの周面に対する溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭの相対的な走査を制御する。

尚、本例においては、制御装置１３０が基材Ｂを回転及び移動させるようにする。しかしながら、制御装置１３０が移動装置１２３を制御することにより、溶融光ビーム照射装置１２１及び保温光ビーム照射装置１２２を基材Ｂの造形面Ｂ１に対して相対的に移動させることが可能であることは言うまでもない。

（３．付加製造物ＦＦの付加製造方法の概略）
次に、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）の付加製造方法について説明する。付加製造物ＦＦ（ビードＮ）の付加製造方法では、保温光ビームＫＢＭを照射することにより、保温光照射範囲ＫＳにおいて、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）の付加製造処理における前処理である予熱処理と後処理である保温処理とを行う。

一般に、基材Ｂの造形面Ｂ１の温度が低い状態では、溶融光ビームＭＢＭの照射による熱エネルギーが基材Ｂに逃げ易い。これにより、溶融光ビームＭＢＭを用いて付加製造物ＦＦ（ビードＮ）を基材Ｂの造形面Ｂ１に付加製造する場合、溶融不足の発生等の溶融の不良要因となり易いため、保温光ビームＫＢＭを用いて基材Ｂの造形面Ｂ１を予熱（加熱）する。

このとき、予熱処理における保温光ビームＫＢＭは、図５に示すように、溶融光ビームＭＢＭの溶融光照射範囲ＭＳと重なる（溶融光ビームＭＢＭの光軸に交差する）ように、溶融光ビームＭＢＭの走査方向ＳＤの前側の保温光照射範囲ＫＳを照射する。これにより、保温光ビームＫＢＭは、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）が形成される基材Ｂの造形面Ｂ１を予熱する。尚、予熱処理における保温光ビームＫＢＭのレーザ出力は、基材Ｂの造形面Ｂ１が溶融せずに所定の温度となるように制御される。

又、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）の形成後において、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）が急速に冷却された場合、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）に割れ等が発生し易い。このため、溶融光ビームＭＢＭを用いて付加製造物ＦＦ（ビードＮ）を形成（造形）した後においては、保温光ビームＫＢＭを用いて基材Ｂの造形面Ｂ１即ち付加製造物ＦＦ（ビードＮ）を保温（加熱）する。

このとき、保温処理における保温光ビームＫＢＭは、図５に示すように、溶融光ビームＭＢＭの溶融光照射範囲ＭＳと重なる（溶融光ビームＭＢＭの光軸に交差する）ように、溶融光ビームＭＢＭの走査方向（ＳＤ）の後側の保温光照射範囲ＫＳまで照射する。これにより、保温光ビームＫＢＭは、形成された付加製造物ＦＦ（ビードＮ）を保温する。尚、保温処理における保温光ビームＫＢＭのレーザ出力は、形成された付加製造物ＦＦ（ビードＮ）及び基材Ｂの造形面Ｂ１が溶融せずに所定の冷却速度（℃／ｓ）となるように制御される。

又、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）の付加製造方法においては、保温光ビームＫＢＭが予熱処理及び保温処理を行う状態で、溶融光ビームＭＢＭを照射することにより、溶融光照射範囲ＭＳにおいて、基材Ｂの造形面Ｂ１の一部及び粉末材料Ｐを溶融して溶融池ＭＰを形成する溶融処理を行う。これにより、溶融光ビームＭＢＭは、基材Ｂの造形面Ｂ１において、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）を形成（造形）する。

具体的に、付加製造方法においては、図６に示すように、溶融光ビームＭＢＭを走査方向ＳＤに走査することで溶融池ＭＰを拡大させることにより、付加製造物ＦＦ（ビードＮ）を付加製造する。そして、溶融光ビームＭＢＭは、溶融池ＭＰを拡大させるように粉末材料Ｐを溶融させた後、走査方向ＳＤに順次移動する。ここで、本例の付加製造物ＦＦ（ビードＮ）は、硬質粉末材料Ｐ１の炭化タングステン（ＷＣ）が超硬バインダとして作用する結合粉末材料Ｐ２のコバルト（Ｃｏ）によって結合されて形成されるものである。そして、本例の付加製造物ＦＦは、基材Ｂの中心軸線Ｃの方向に沿って筋状に形成される複数のビードＮによって構成される（図１を参照）。

ところで、複数のビードＮが互いに隣接するように連続して形成されることによって基材Ｂの造形面Ｂ１の温度が上昇して高い状態では、溶融光ビームＭＢＭの照射による熱エネルギーが過多になり易い。これにより、溶融処理において付加製造物ＦＦ（ビードＮ）を基材Ｂの造形面Ｂ１に付加製造する場合、エネルギー過多に起因して溶融池ＭＰが拡大し過ぎると、ビードＮのビード幅が広がったりビード高さが変動したり、或いは、基材ＢのビードＮへの溶け込み（希釈）が生じたりして付加製造の不良要因となり易い。

より詳細に、基材Ｂの造形面Ｂ１においては、保温光ビームＫＢＭが溶融光ビームＭＢＭの移動に追従して移動することによる保温光照射範囲ＫＳの軌跡ＫＨ（図３を参照）における温度は、保温光ビームＫＢＭが照射されたことによって付加製造物ＦＦの形成後、冷却が緩やかになる。その結果、図７に示すように、保温光照射範囲ＫＳを含む周辺は、ビードＮの形成に伴って照射された少なくとも保温光ビームＫＢＭによる熱を蓄熱することによって昇温した蓄熱範囲ＳＲになり、基材Ｂの造形面Ｂ１における蓄熱範囲ＳＲから離間した部分の温度に比べて高くなる。ここで、本例においては、図７に示すように、蓄熱範囲ＳＲが保温光照射範囲ＫＳよりも広い場合を例示する。しかしながら、蓄熱範囲ＳＲに保温光照射範囲ＫＳが含まれる場合としては、蓄熱範囲ＳＲが保温光照射範囲ＫＳと一致していても良い。つまり、この場合は、蓄熱範囲ＳＲは、保温光照射範囲ＫＳとなる。

このため、基材Ｂの造形面Ｂ１において、図８に示すように、前回の形成動作により形成した付加製造物ＦＦ即ちビードＮ１に隣接して今回の付加製造物ＦＦ即ちビードＮ２を形成する場合には、今回のビードＮ２の形成位置に蓄熱範囲ＳＲが形成されて温度が高い状態となる。前回のビードＮ１の形成に起因して蓄熱範囲ＳＲが形成されて、ビードＮ２を形成する形成位置の温度が高い状態では、溶融光ビームＭＢＭにより溶融される基材Ｂ及び粉末材料Ｐの溶融が過度に促進される。即ち、ビードＮ２を形成する溶融池ＭＰの拡大が促進される。

更に、ビードＮ２に隣接してビードＮ３を形成する場合、ビードＮ１の形成に伴う蓄熱に加えてビードＮ２の形成に伴う蓄熱によって蓄熱範囲ＳＲが形成され、ビードＮ３を形成する形成位置の温度は、ビードＮ２を形成する形成位置の温度よりも高くなる。その結果、ビードＮ３を形成する溶融池ＭＰは更に拡大が促進される。従って、今回のビードＮ即ち付加製造物ＦＦを形成する形成位置の温度は、付加製造の不良要因を排除するためにビードＮ（付加製造物ＦＦ）の形成に適した温度である必要がある。

ところで、例えば、前回のビードＮ（付加製造物ＦＦ）の形成後から今回のビードＮ（付加製造物ＦＦ）の形成を開始するまでに時間間隔を設けることにより、今回のビードＮ（付加製造物ＦＦ）の形成位置の冷却を行うことができる。しかしながら、この場合には、複数のビードＮ即ち付加製造物ＦＦの付加製造に要する製造時間が長くなり、付加製造効率（生産効率）が損なわれる。

そこで、本例では、複数のビードＮからなる付加製造物ＦＦを形成する際に、図９に示すように、基材Ｂの造形面Ｂ１において、前回のビードＮ１の形成位置ＡＢを含む蓄熱範囲ＳＲから離間した位置となる形成位置ＢＢにビードＮ２を形成する。即ち、基材Ｂの造形面Ｂ１において、前回のビードＮ１の形成に伴って照射された保温光ビームＫＢＭの保温光照射範囲ＫＳに対して、今回のビードＮ２の形成に伴って照射される保温光ビームＫＢＭの保温光照射範囲ＫＳが重ならないように決定された形成位置ＢＢにビードＮ２を形成する。又、同様に、前回のビードＮ２の形成位置ＢＢを含む蓄熱範囲ＳＲから離間した位置となる形成位置ＣＢにビードＮ３を形成する。

具体的に、本例においては、ビードＮ１の形成位置ＡＢを含む蓄熱範囲ＳＲから基材Ｂの周方向にて９０度離間した形成位置ＢＢにビードＮ２を形成する。同様に、本例においては、ビードＮ２の形成位置ＢＢを含む蓄熱範囲ＳＲから基材Ｂの周方向にて９０度離間した形成位置ＣＢにビードＮ３を形成する。即ち、本例のおいては、基材Ｂの周方向を４分割した場合、各々のビードＮは、前回の形成位置に生じた蓄熱範囲ＳＲから基材Ｂの周方向にて１／４周分離間した形成位置に順次形成される。

（４．付加製造物ＦＦの製造方法の詳細）
次に、付加製造物ＦＦの付加製造方法の詳細について説明する。制御装置１３０は、図１０に示す付加製造装置制御プログラムの実行をステップＳ１０にて開始し、続くステップＳ１１にて、制御装置１３０は、今回の付加製造物ＦＦ即ちビードＮの形成位置を割出して決定する。即ち、制御装置１３０は、例えば、図１１に示すように、前回のビードＮ１を形成位置ＡＢに形成した場合、今回ビードＮ２の形成位置ＢＢを、図１２に示すように、形成位置ＡＢを含む蓄熱範囲ＳＲから基材Ｂの周方向にて１／４周分（９０度）離間した位置に決定する。

これに伴い、制御装置１３０は、モータＭ１を作動させて、形成位置ＢＢが移動装置１２３の第一ロボットアーム１２３ａ及び第二ロボットアーム１２３ｂによって支持された溶融光ビーム照射装置１２１及び保温光ビーム照射装置１２２に対向するように、基材Ｂを９０度回転させる。そして、制御装置１３０は、形成位置ＢＢを決定すると共に基材Ｂを回転させると、ステップＳ１２のステップ処理を実行する

尚、本例においては、制御装置１３０がモータＭ１を駆動させることにより、決定した形成位置ＢＢに応じて基材Ｂを回転させるようにする。しかし、制御装置１３０は、決定した形成位置ＢＢに応じて、移動装置１２３の第一ロボットアーム１２３ａ及び第二ロボットアーム１２３ｂを作動させることにより、溶融光ビーム照射装置１２１及び保温光ビーム照射装置１２２を形成位置ＢＢに向けて移動させるようにしても良い。

ステップＳ１２においては、制御装置１３０は、粉末材料供給装置１１０及び光ビーム照射装置１２０の作動を制御することにより、付加製造物ＦＦ即ちビードＮを形成する。即ち、制御装置１３０は、粉末材料供給装置１１０のバルブ１１２、具体的には、粉末供給バルブ１１２ｂ及びガス導入バルブ１１２ｃの開閉を制御し、予め設定された供給量の粉末材料Ｐを、例えば、図１２に示すように、基材Ｂの造形面Ｂ１における形成位置ＢＢに噴射ノズル１１４から供給する。

又、制御装置１３０は、粉末材料供給装置１１０からの粉末材料Ｐの供給に合わせて、光ビーム照射装置１２０の溶融光ビーム照射装置１２１及び保温光ビーム照射装置１２２を作動させる。そして、制御装置１３０は、溶融光照射範囲ＭＳにおいて、例えば、形成位置ＢＢに供給された粉末材料Ｐに対して溶融光ビームＭＢＭを照射することにより、基材Ｂの造形面Ｂ１の一部及び粉末材料Ｐを溶融して即ち溶融池ＭＰを形成し、ビードＮ２を形成する（溶融処理）。これにより、溶融光ビーム照射装置１２１は、基材Ｂの造形面Ｂ１において、図１２に示すように、ビードＮ２即ち付加製造物ＦＦを形成する。

一方、制御装置１３０は、例えば、図１２に示すようにビードＮ２を形成した場合、保温光照射範囲ＫＳにおいて、基材Ｂの造形面Ｂ１に形成されたビードＮ（付加製造物ＦＦ）に保温光ビームＫＢＭを照射することにより、ビードＮ２（付加製造物ＦＦ）を保温する（保温処理）。これにより、保温光ビーム照射装置１２２は、基材Ｂの造形面Ｂ１に形成されたビードＮ２即ち付加製造物ＦＦが急冷による割れの発生を抑制する。そして、制御装置１３０は、ビードＮを形成（造形）すると、ステップＳ１３のステップ処理を実行する。

ステップＳ１３においては、制御装置１３０は、基材Ｂの造形面Ｂ１において、ビードＮの付加製造が完了したか否かを判定する。即ち、制御装置１３０は、今回形成するビードＮの付加製造即ち溶融処理及び保温処理が完了していれば、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１４のステップ処理を実行する。一方、制御装置１３０は、今回形成するビードＮの溶融処理及び保温処理が完了していなければ、「Ｎｏ」と判定し、ビードＮの付加製造が完了するまで繰り返し前記ステップＳ１２のステップ処理を実行する。

ステップＳ１４においては、制御装置１３０は、基材Ｂの造形面Ｂ１に形成すべき付加製造物ＦＦ即ち複数のビードＮの形成が完了したか否かを判定する。即ち、制御装置１３０は、基材Ｂの造形面Ｂ１に形成すべき付加製造物ＦＦ（複数のビードＮ）の付加製造が完了していれば、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１５のステップ処理を実行し、付加製造装置制御プログラムの実行、つまり、付加製造処理を終了する。

一方、制御装置１３０は、基材Ｂの造形面Ｂ１に形成すべき付加製造物ＦＦの付加製造が完了していなければ、「Ｎｏ」と判定して前記ステップＳ１１に戻り、前記ステップＳ１３までのステップ処理を実行する。そして、制御装置１３０は、ステップＳ１４にて「Ｙｅｓ」と判定するまで、繰り返し前記ステップＳ１１から前記ステップＳ１３までの各ステップ処理を実行する。

具体的に、付加製造装置制御プログラムの実行開始直後においては、基材Ｂの造形面Ｂ１には、図１１に示すように、付加製造物ＦＦとしてビードＮ１が付加製造される。ビードＮ１の形成後においては、ビードＮ１の形成位置ＡＢの近傍、即ち、基材Ｂの周方向における両隣は、溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭの照射により、蓄熱範囲ＳＲが形成されて温度が高い状態になっている。このため、制御装置１３０は、次にビードＮ２を形成するに当たり、付加製造装置制御プログラムの前記ステップＳ１１の実行時において、図１２に示すように、ビードＮ１を形成することによって生じた蓄熱範囲ＳＲから離間するように、ビードＮ１の形成位置ＡＢを含む蓄熱範囲ＳＲから基材Ｂの周方向にて４分の１周回転した位置（９０度回転した位置）をビードＮ２の形成位置ＢＢとして決定する。そして、制御装置１３０は、形成位置ＢＢにビードＮ２を付加製造する。

続いて、制御装置１３０は、ビードＮ２の形成位置ＢＢの近傍に蓄熱範囲ＳＲが形成されて温度が高い状態になっているため、次にビードＮ３を形成するに当たり、付加製造装置制御プログラムの前記ステップＳ１１の実行時において、図１３に示すように、ビードＮ２を形成することによって生じた蓄熱範囲ＳＲから離間するように、ビードＮ２の形成位置ＢＢから基材Ｂの周方向にて４分の１周回転した位置（９０度回転した位置）、換言すれば、ビードＮ１の形成位置ＡＢを含む蓄熱範囲ＳＲから２分の１周回転した位置（１８０度回転した位置）をビードＮ３の形成位置ＣＢとして決定する。そして、制御装置１３０は、形成位置ＣＢにビードＮ３を付加製造する。そして、制御装置１３０は、造形面Ｂ１において複数のビードＮの付加製造が完了するまで、同様に、前回のビードＮの形成位置を含む蓄熱範囲ＳＲから４分の１周回転した位置（９０度回転した位置）を今回のビードＮの形成位置として決定し、ビードＮを形成することを繰り返す。

これにより、今回、ビードＮを形成する形成位置においては、蓄熱範囲ＳＲから離間しているため、冷却を行うことなく、前回のビードＮの形成に伴う蓄熱の影響を除外することができる。従って、ビードＮの形成時におけるエネルギー過多を抑制することができるため、溶融池ＭＰの拡大を抑制することができ、ビードＮを適正に形成することができる。その結果、基材Ｂの造形面Ｂ１において、複数のビードＮからなる付加製造物ＦＦを正確に付加造形することができる。

以上の説明からも理解できるように、付加製造装置１００によれば、制御装置１３０は、前回のビードＮ１の形成に伴って基材Ｂの造形面Ｂ１に生じた蓄熱範囲ＳＲから周方向にて４分の１周分（９０度）離間した位置を、今回のビードＮ２の形成位置ＢＢとして決定することができる。これにより、今回のビードＮ２を形成する際には、溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭによって基材Ｂの造形面Ｂ１に供給されるエネルギーが過多になることを抑制することができる。その結果、今回のビードＮ２（ビードＮ３）を形成する溶融池ＭＰの過剰な拡大を抑制することができる。従って、付加製造装置１００は、高品質な即ち造形面Ｂ１の全面で溶け込み量（希釈）が一定の均質な被膜である付加製造物ＦＦを付加製造することができる。

（５．第一別例）
上述した本例においては、円柱状又は円筒状の基材Ｂの周面である造形面Ｂ１に対して、複数のビードＮを軸方向に直線状に順次形成することによって肉盛りし、付加製造物ＦＦを造形（付加製造）するようにした。しかし、円柱状又は円筒状の基材Ｂの周面である造形面Ｂ１に対して複数のビードＮを形成する場合、各々のビードＮを直線状に形成することには限定されず、造形面Ｂ１の周方向に沿って各々のビードＮを順次形成することが可能である。具体的に、図１４に示すように、例えば、各々のビードＮを造形面Ｂ１に対して螺旋状に形成することができる。

この場合、図１４に示すように、例えば、ビードＮ１を造形面Ｂ１に対して螺旋状に形成した場合、基材Ｂの軸方向にてビードＮ１の形成に伴って生じた蓄熱範囲ＳＲから離間した位置にビードＮ２を造形面Ｂ１に対して螺旋状に形成する。そして、ビードＮ１から軸方向に離間した位置にビードＮ２を形成することにより、ビードＮ１の近傍における蓄熱範囲ＳＲ（図７を参照）が適温まで冷却されているため、例えば、ビードＮ１に隣接するようにビードＮ３を形成する。従って、第一別例においても、上述した本例と同様の効果が得られる。

（６．第二別例）
上述した本例及び第一別例においては、基材Ｂが円柱状又は円筒状である場合を例示して説明した。しかしながら、付加製造物ＦＦを付加製造する基材Ｂの形状については、円柱状又は円筒状に限られず、平面の造形面Ｂ１を有する板状であっても良い。具体的に、図１５に示すように、基材Ｂが平板であり、平面の造形面Ｂ１に対して複数のビードＮを形成することができる。

この場合、図１５に示すように、例えば、ビードＮ１を平面の造形面Ｂ１に対して直線状に形成した場合、造形面Ｂ１にてビードＮ１の形成に伴って生じた蓄熱範囲ＳＲから離間した位置（図１５においては右方向にて離間した位置）にビードＮ２を直線状に形成する。そして、ビードＮ１から離間した位置にビードＮ２を形成することにより、ビードＮ１の近傍における蓄熱範囲ＳＲ（図７を参照）が適温まで冷却されているため、例えば、ビードＮ１に隣接するようにビードＮ３を形成する。従って、第二別例においても、上述した本例と同様の効果が得られる。

（７．その他の別例）
上述した本例においては、制御装置１３０は、付加製造装置制御プログラムの前記ステップＳ１１にて、今回のビードＮの形成位置を、前回のビードＮの形成に伴って生じた蓄熱範囲ＳＲから基材Ｂの周方向にて４分の１周回転した位置（９０度回転した位置）に決定するようにした。これに代えて、制御装置１３０は、前記ステップＳ１１にて、今回のビードＮの形成位置を、前回のビードＮの形成に伴って生じた蓄熱範囲ＳＲから基材Ｂの周方向にて２分の１周回転した位置（１８０度回転した位置）に決定することも可能である。

更に、上述した本例等では、付加製造装置１００がＬＭＤ方式を採用した場合を説明した。これに代えて、付加製造装置がＳＬＭ方式を採用した場合であっても、溶融池の過剰な拡大を抑制することが可能である。ＳＬＭを採用した場合においては、例えば、溶融光ビームＭＢＭ及び保温光ビームＫＢＭを走査して敷き詰められた粉末材料Ｐを溶融して凝固させた部分から、離間した他の部分における粉末材料Ｐを溶融して凝固させることが可能である。これにより、ＳＬＭを採用した場合であっても、上述した本例等と同等の効果が期待できる。

１００…付加製造装置、１１０…粉末材料供給装置、１１１…ホッパ、１１１ａ…配管、１１２…バルブ、１１２ａ…粉末導入バルブ、１１２ｂ…粉末供給バルブ、１１２ｃ…ガス導入バルブ、１１３…ガスボンベ、１１３ａ…配管、１１４…噴射ノズル、１１４ａ…配管、１１５…容器、１２０…光ビーム照射装置、１２１…溶融光ビーム照射装置、１２１ａ…溶融光ビーム生成部、１２１ｂ…溶融光ビーム照射部、１２２…保温光ビーム照射装置、１２２ａ…保温光ビーム生成部、１２２ｂ…保温光ビーム照射部、１２２ｃ…容器、１２３…移動装置、１２３ａ…第一ロボットアーム、１２３ｂ…第二ロボットアーム、１３０…制御装置、１４０…撮像装置、Ｂ…基材、Ｂ１…造形面、Ｃ…中心軸線、ＦＦ…付加製造物、Ｎ…ビード、ＭＰ…溶融池、ＫＢＭ…保温光ビーム、ＭＢＭ…溶融光ビーム、ＭＳ…溶融光照射範囲、ＫＳ…保温光照射範囲、Ｍ１…モータ、Ｍ２…モータ、Ｐ…粉末材料、Ｐ１…硬質粉末材料、Ｐ２…結合粉末材料、ＳＤ…走査方向、ＳＲ…蓄熱範囲

Claims (15)

1. 硬質材及び超硬バインダを含む粉末材料を基材に供給する粉末材料供給装置と、
   前記基材及び前記基材に供給された前記粉末材料を、前記基材及び前記粉末材料の融点以上に加熱して溶融する溶融光ビームを照射する溶融光ビーム照射装置と、
   前記溶融光ビームが照射される照射範囲である溶融光照射範囲の外側にて前記融点未満に加熱して保温する保温光ビームを照射する保温光ビーム照射装置と、
   前記溶融光ビーム及び前記保温光ビームの照射、並びに、前記基材に対する前記溶融光ビーム及び前記保温光ビームの相対的な走査について、前記溶融光ビーム照射装置及び前記保温光ビーム照射装置の各々を独立して制御する制御装置と、
   を備え、前記基材に複数のビードを形成することによって付加製造物を付加製造する付加製造装置であって、
   前記制御装置は、
   前回の前記ビードの形成に伴って照射された少なくとも前記保温光ビームによる熱を蓄熱することによって前記基材に生じた蓄熱範囲から離間した位置を、今回の前記ビードを形成する形成位置として決定する、付加製造装置。
2. 前記蓄熱範囲は、前回の前記ビードの形成に伴って照射された前記保温光ビームにより昇温した範囲である、請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記制御装置は、
   前回の前記ビードの形成に伴って前記保温光ビームが照射される照射範囲である保温光照射範囲に対して、今回の前記ビードの形成に伴って照射される前記保温光ビームの前記保温光照射範囲が重ならないように、今回の前記ビードの前記形成位置を決定する、請求項１に記載の付加製造装置。
4. 前記基材は、円柱状又は円筒状であり、
   前記制御装置は、前記形成位置を、前記蓄熱範囲から前記基材の周方向に離間した位置に決定する、請求項１－３の何れか一項に記載の付加製造装置。
5. 前記制御装置は、
   前記形成位置を、前記蓄熱範囲から前記基材の周方向にて４分の１周分離間した位置に決定する、請求項４に記載の付加製造装置。
6. 前記制御装置は、
   前記保温光ビームが照射される照射範囲であって前記溶融光照射範囲よりも大きな保温光照射範囲を前記溶融光照射範囲に重畳させた状態となるように、前記溶融光ビーム照射装置に対する前記保温光ビーム照射装置の相対的な姿勢を制御する、請求項１－５の何れか一項に記載の付加製造装置。
7. 前記制御装置は、前記保温光ビームの照射方向が前記溶融光ビームの照射方向に対して傾いた状態で、前記保温光ビーム照射装置の前記姿勢を制御する、請求項６に記載の付加製造装置。
8. 前記溶融光ビームの照射方向は、前記基材において付加製造物を造形する造形面に直交する方向である、請求項６又は７に記載の付加製造装置。
9. 前記保温光照射範囲は、前記溶融光照射範囲に対して、前記溶融光ビームの前記走査の方向において前側よりも後側が長くなる、請求項６－８の何れか一項に記載の付加製造装置。
10. 前記粉末材料供給装置は、前記基材に対し前記粉末材料を噴射して供給するものであり、前記溶融光ビーム照射装置と一体に移動可能に設けられる、請求項１－９の何れか一項に記載の付加製造装置。
11. 前記制御装置は、前記溶融光ビーム照射装置によって照射された前記溶融光ビームの前記走査の軌跡を追従するように、前記保温光ビーム照射装置によって照射された前記保温光ビームの前記走査を制御する、請求項１－１０の何れか一項に記載の付加製造装置。
12. 前記保温光ビーム照射装置は、前記基材を加熱して保温する、請求項１－１１の何れか一項に記載の付加製造装置。
13. 前記硬質材の融点は、前記超硬バインダの融点よりも高い、請求項１－１２の何れか一項に記載の付加製造装置。
14. 前記硬質材は、炭化タングステン（ＷＣ）である、請求項１３に記載の付加製造装置。
15. 前記超硬バインダは、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）である、請求項１－１４の何れか一項に記載の付加製造装置。

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