JP2024010788A - 積層構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造物中の結晶組織の制御が容易な積層構造物の製造方法を提供する。【解決手段】パウダーベッドの表面と平行なガスフローを設け、第１方向にエネルギー線を走査しながら照射して第１溶融固化層を形成し、第１方向と交差する第２方向にエネルギー線を走査しながら照射して第２溶融固化層を形成し、パウダーベッドの第１堆積厚さと、エネルギー線の第１入熱量とを調整して、第１溶融固化層の積層厚さ及び第１溶融固化層の溶け込み深さを制御し、パウダーベッドの第２堆積厚さと、エネルギー線の第２入熱量とを調整して、第２溶融固化層の積層厚さ及び第２溶融固化層の溶け込み深さを制御し、第１方向とガスフローの方向とのなす角度α１を調整して第１入熱量を制御し、第２方向とガスフローの方向とのなす角度α２を調整して第２入熱量を制御して、結晶組織における第１溶融固化層の残存厚さと第２溶融固化層の残存厚さとを制御する、積層構造物の製造方法を選択する。【選択図】なし

Description

本発明は、積層構造物の製造方法に関する。

付加製造技術のようにエネルギー線を用いて積層構造物を製造することがある。例えば、任意のＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データに基づいてレーザの照射により得られる金属層を順次積層し、三次元構造物として任意の形状の積層構造物を製造できる。付加製造技術は、航空機関連部材を含む産業機器分野や医療機器分野等に適用され、有望な技術として注目されている。近年、積層構造物に所望の機械的特性を付与するために、積層構造物の結晶組織を制御することが提案されている。例えば、結晶組織の制御により機械的強度、弾性率を制御できる。他にも、優先的な結晶方位を持つ結晶組織によれば、ヤング率、降伏応力、耐疲労性等の異方性を積層構造物に付与できる。

特許文献１～３では、結晶組織の制御のための手法としてレーザのスキャン速度、レーザ出力、ピッチ幅、スキャンストラテジー等のプロセスパラメータを調整することが提案されている。

特許文献１では、βチタン合金において低弾性率化を実現するために、溶融工程での走査方向を調整することで、結晶配向性を制御することが提案されている。
特許文献２では、スキャンストラテジーとレーザパワーの組み合わせ、レーザ光、アーク放電の照射方向とパワーの制御によって、積層方向に対し単結晶様の組織を形成することが提案されている。
特許文献３では、指向性エネルギー源からのビームを誘導し、堆積及び融合工程を行い、別の外部熱制御装置により再融解及び凝固をすることで、単結晶様組織を得ることが提案されている。

一方、特許文献４では、粉末床の表層近傍にガス流（ガスフロー）を設けることで、レーザの照射によって金属層を形成する際に発生するヒュームを除去するとともに、レーザの走査方向に応じてガス流の方向の切り替えが可能な積層造形方法が開示されている。

特開２０１７－１７１９８５号公報 特開２０１８－１１５０９０号公報 特許第６２１６８８１号公報 特開２０１９－１８３２８２号公報

しかしながら、特許文献４に開示されたように、粉末床の表層近傍にガス流を設けながらレーザを照射して金属層を形成し、この金属層を積層することで積層構造物を製造する場合、特許文献１～３で開示されたように、レーザのスキャン速度、レーザ出力、ピッチ幅、スキャンストラテジー等のプロセスパラメータを調整するだけでは、積層構造物中の結晶組織を制御することが困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、積層構造物中の結晶組織の制御が容易な積層構造物の製造方法を提供することを課題とする。

本願の発明者らが鋭意検討した結果、レーザの走査方向とガスフローの方向とが同じ方向（すなわち、平行方向）になるにつれて、換言すると、レーザの走査方向とガスフローの方向とがなす角αが０°に近づくにつれて、レーザの照射によって原料粉末が溶融した際に発生するスパッタやヒュームが、ガスフローによってレーザの走査方向に流れ、当該走査方向におけるレーザの減衰が生じ、レーザの入熱量が低減することを見出した。また、溶融池の長手方向にガスが流れるため、溶融した原料の放熱が促進されることを見出し、本発明を完成させた。

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］ 原料粉末を堆積させたパウダーベッドの表面に沿って、前記表面と平行なガスフローを設け、
前記表面と平行な第１方向にエネルギー線を走査しながら照射して第１溶融固化層を形成し、
前記表面と平行、かつ前記第１方向と交差する第２方向にエネルギー線を走査しながら照射して第２溶融固化層を形成し、
前記第１及び第２溶融固化層をそれぞれ１層以上含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織を含む積層構造物を製造する方法であって、
前記第１溶融固化層を形成する際、パウダーベッドの第１堆積厚さと、前記パウダーベッドに照射するエネルギー線の第１入熱量とを調整して、前記第１溶融固化層の積層厚さ及び前記第１溶融固化層の溶け込み深さを制御し、
前記第２溶融固化層を形成する際、パウダーベッドの第２堆積厚さと、前記パウダーベッドに照射するエネルギー線の第２入熱量とを調整して、前記第２溶融固化層の積層厚さ及び前記第２溶融固化層の溶け込み深さを制御し、
前記第１入熱量は、前記第１方向と前記ガスフローの方向とのなす角度α１を調整して制御し、
前記第２入熱量は、前記第２方向と前記ガスフローの方向とのなす角度α２を調整して制御して、
前記結晶組織における前記第１溶融固化層の残存厚さと、前記第２溶融固化層の残存厚さと、を制御する、積層構造物の製造方法。
［２］ 前記角度α１及び前記角度α２のうち、一方を４５°以上９０°以下に調整し、他方を０°以上４５°以下に調整する、［１］に記載の積層構造物の製造方法。
［３］ 前記第１溶融固化層又は前記第２溶融固化層のみを含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織をさらに含む、［１］又は［２］に記載の積層構造物の製造方法。
［４］ 前記表面と平行、かつ前記第１方向及び前記第２方向とそれぞれ交差する第３方向にエネルギー線を走査しながら照射して第３溶融固化層を形成し、
前記第３溶融固化層を少なくとも１層以上含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織をさらに含む積層構造物を製造する、［１］乃至［３］のいずれかに記載の積層構造物の製造方法。

本発明の積層構造物の製造方法は、積層構造物中の結晶組織の制御が容易である。

本実施形態に適用可能な積層構造物の製造装置の構成の一例を示す模式図である。 本実施形態に適用可能な積層構造物の製造装置が備える造形ステージの平面図である。 本実施形態におけるエネルギー線の走査方向とガスフローＦの方向とのなす角のうち最小の角度を説明するための図である。 積層構造物の製造方法の一例を説明するための図である。 積層構造物の製造方法の一例を説明するための図である。 本実施形態の積層構造物の製造方法によって得られる積層構造物の結晶組織を説明するための図である。 本実施形態の積層構造物の製造方法によって得られる積層構造物の結晶組織を説明するための図である。 本実施形態の積層構造物の製造方法によって得られる積層構造物の結晶組織を説明するための図である。 実施例１、２において作製した積層構造物の図である。 実施例１、２において作製した積層構造物の結晶方位マップ（ＩＰＦマップ）と極点図を観察した結果を示す図である。 実施例１、２において作製した積層構造物の結晶組織を観察した結果を示す図である。 実験例３において作製した積層構造物の結晶組織を観察した結果を示す図である。 実施例３における、パウダーベッドの堆積厚さと溶融プールの深さとの関係を示す図である。 実験例４においてｘ－ｓｃａｎ層の残存厚さ（ｘ－ｓｃａｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）、ｙ－ｓｃａｎ層の残存厚さ（ｙ－ｓｃａｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）をそれぞれ観察した結果を示す図である。 実験例４においてｘ－ｓｃａｎ層の残存厚さ（ｘ－ｓｃａｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）、ｙ－ｓｃａｎ層の残存厚さ（ｙ－ｓｃａｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）をそれぞれ観察した結果を示す図である。 実験例５において作製した積層構造物の図である。 実施例５において作製した積層構造物の結晶組織を観察した結果を示す図である。

（定義）
明細書中、結晶の面は、次のように示している。（００１）：軸を固定して考える場合、｛００１｝：ｘ、ｙ、ｚ等の軸を固定しないで考える場合、この場合見る方向によって結晶の面を区別できない。結晶の方位は、次のように示している。[００１]：軸を固定して考える場合、＜００１＞：ｘ、ｙ、ｚ等の軸を固定しないで考える場合、この場合見る方向によって結晶の方位を区別できない。（００１）等は、ミラー指数を表す。
数値範囲を示す「～」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。

＜積層構造物の製造方法＞
本発明の積層構造物の製造方法は、原料粉末を堆積させたパウダーベッドの表面に沿って、パウダーベッドの表面と平行なガスフローを設け；パウダーベッドの表面と平行な第１方向にエネルギー線を走査しながら照射して第１溶融固化層を形成し；パウダーベッドの表面と平行、かつ第１方向と交差する第２方向にエネルギー線を走査しながら照射して第２溶融固化層を形成し；第１及び第２溶融固化層をそれぞれ１層以上含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織を含む積層構造物を製造する方法であって；
第１溶融固化層を形成する際、パウダーベッドの第１堆積厚さと、パウダーベッドに照射するエネルギー線の第１入熱量とを調整して、第１溶融固化層の積層厚さ及び第１溶融固化層の溶け込み深さを制御し；
第２溶融固化層を形成する際、パウダーベッドの第２堆積厚さと、パウダーベッドに照射するエネルギー線の第２入熱量とを調整して、第２溶融固化層の積層厚さ及び第２溶融固化層の溶け込み深さを制御し；
第１入熱量は、第１方向とガスフローの方向とのなす角度α１を調整して制御し；
第２入熱量は、第２方向とガスフローの方向とのなす角度α２を調整して制御して；
結晶組織における第１溶融固化層の残存厚さと、第２溶融固化層の残存厚さと、を制御するものである。

本発明では、エネルギー線の各走査方向において、パウダーベッドに照射するエネルギー線の入熱量を調整することで、エネルギー線の照射によって形成される溶融固化層の積層厚さと、溶融固化層の溶け込み深さとを制御することができる。
具体的には、エネルギー線の第１入熱量を調整することで、第１溶融固化層の積層厚さ及び第１溶融固化層の溶け込み深さを制御することができる。同様に、エネルギー線の第２入熱量を調整することで、第２溶融固化層の積層厚さ及び第２溶融固化層の溶け込み深さを制御することができる。

また、第１入熱量及び第２入熱量は、第１方向とガスフローの方向とのなす角のうち最小の角度α１、及び第２方向とガスフローの方向とのなす角のうち最小の角度α２をそれぞれ調整することで、それぞれ制御することができる。

ここで、ガスフローの方向とエネルギー線の走査方向とが一致する場合（すなわち、ガスフローの方向とエネルギー線の走査方向とが平行の場合）、パウダーベッドにエネルギー線を照射して原料粉末が溶融した際に発生するスパッタやヒュームが、ガスフローの方向に流れ、当該方向に走査するエネルギー線の減衰が生じ熱量が低減される。また、溶融池の長手方向にガスが流れるため、溶融した原料の放熱が促進される。そのため、エネルギー線の走査方向とガスフローの方向とのなす角のうち最小の角度α（α１、α２）を変化させることで、パウダーベッドに照射するエネルギー線の入熱量を調整することができ、結果、所要の方向に走査されたエネルギー線により形成される溶融固化層の溶け込み深さを制御することができる。

具体的には、エネルギー線の走査方向とガスフローの方向とのなす角のうち、最小の角度αを０°に近づけることで、入熱量の減少量が増加し、当該方向に走査されたエネルギー線により形成される溶融固化層の溶け込み深さを少なくすることができる。
これに対して、エネルギー線の走査方向とガスフローの方向とのなす角のうち、最小の角度αを９０°に近づけることで、入熱量の減少量が減少し、当該方向に走査されたエネルギー線により形成される溶融固化層の溶け込み深さを多くすることができる。
結果として、積層構造物に含まれる結晶組織において、制御対象となる溶融固化層の残存厚さを変えることができる。したがって、結晶方位の配向性をエネルギー線の走査方向とガスフロー方向とのなす角のうち、最小の角度αの変化によって調整できるため、積層構造物の結晶組織を容易に制御できる。

また、第１入熱量及び第２入熱量は、さらに、エネルギー線の出力、走査速度、走査間隔及び照射位置等のスキャンストラテジーによって、それぞれ制御してもよい。
本発明は、パウダーベッドに照射されるエネルギー線の入熱量を制御することで、制御対象の溶融固化層を形成する際に、結晶組織におけるその残存厚さに変化を与えることができる。結果として、また、積層構造物の結晶組織の制御の態様にさらなる多様性が提供され得る。

本発明では、結晶組織を構成する溶融固化層を形成するためのパウダーベッドの積層堆積厚さを調整することで、エネルギー線の照射によって形成される溶融固化層の積層厚さと、溶融固化層の溶け込み深さとを制御することができる。

具体的には、パウダーベッドの第１積層堆積厚さを調整することで、第１溶融固化層の積層厚さを制御することができる。同様に、パウダーベッドの第２積層堆積厚さを調整することで、第２溶融固化層の積層厚さを制御することができる。
また、パウダーベッドの第１積層堆積厚さと、第２積層厚さとは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

本発明では、さらに、積層構造物を構成する結晶組織のうち、制御対象となる溶融固化層のためのパウダーベッドの堆積厚さと、制御対象となる溶融固化層の厚さ方向の上下に隣接する溶融固化層のためのパウダーベッドの堆積厚さとを、互いに変化させることができる。そのため、制御対象となる溶融固化層と、これと厚さ方向の上下に隣接する溶融固化層との間で、積層構造物中の残存厚さをさらに精密に変えることができる。

したがって、本発明では、結晶方位の配向性をパウダーベッドの堆積厚さの変化によっても調整できるため、積層構造物の結晶組織をさらに容易に制御できる。また、例えば、各溶融固化層のためのパウダーベッドの堆積厚さを変化させながら溶融固化層を厚さ方向に順次積層することで、積層構造物の結晶組織の制御の態様にさらなる多様性が提供され得る。

なお、本発明は、第１方向とガスフローの方向とのなす角のうち最小の角度α１、及び第２方向とガスフローの方向とのなす角のうち最小の角度α２のうち、一方を４５°以上９０°以下に調整し、他方を０°以上４５°以下に調整してもよい。

このように、角度α１と角度α２とを異なるように調整することで、エネルギー線の出力および走査速度を変更することなく、第１方向に走査しながらエネルギー線を照射する際の入熱量と、第２方向に走査しながらエネルギー線を照射する際の入熱量とに、差をつけることができる。

これにより、入熱量が大きい走査方向において形成された溶融固化層の溶け込み深さよりも、入熱量が小さい走査方向において形成された溶融固化層の溶け込み深さが少なくなり、第１方向の走査と第２方向の走査とを交互に行って形成した積層構造物中の結晶組織において、入熱量が大きい走査方向において形成された溶融固化層の残存厚さよりも、入熱量が小さい走査方向において形成された溶融固化層の残存厚さが小さくなる。

これに対して、角度α１と角度α２とを４５°に調整することで、エネルギー線の出力および走査速度を変更することなく、第１方向に走査しながらエネルギー線を照射する際の入熱量と、第２方向に走査しながらエネルギー線を照射する際の入熱量とを同程度に調整することができる。

これにより、第１溶融固化層の溶け込み深さと、第２溶融固化層の溶け込み深さとが同程度となり、第１方向の走査と第２方向の走査とを交互に行って形成した積層構造物中の結晶組織において、第１溶融固化層の残存厚さと、第２溶融固化層の残存厚さとが同程度となる。

結果として、積層構造物中に含まれる結晶組織において、制御対象となる溶融固化層の残存厚さを任意の厚さに調整することができる。また、積層構造物の結晶組織の制御の態様にさらなる多様性が提供され得る。

また、本発明の積層構造物の製造方法では、第１溶融固化層と第２溶融固化層とを含み、第１溶融固化層と第２溶融固化層とが厚さ方向に交互に積層された結晶組織を含む積層構造物が得られるが、当該積層構造物は、第１溶融固化層のみを含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織や、第２溶融固化層のみを含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織を、さらに含んでいてもよい。

具体的には、第１方向の走査と第２方向の走査とを交互に行って積層構造物を形成する際、第１溶融固化層の形成時に、パウダーベッドの第１堆積厚さが大きくなるように調整して第１溶融固化層の積層厚さが大きくなるように制御し；パウダーベッドに照射するエネルギー線の第１入熱量が大きくなるように調整して第１溶融固化層の溶け込み深さが大きくなるように制御するとともに；第２溶融固化層の形成時に、パウダーベッドの第２堆積厚さが小さくなるように調整して第２溶融固化層の積層厚さが小さくなるように制御し；パウダーベッドに照射するエネルギー線の第２入熱量が小さくなるように調整して第２溶融固化層の溶け込み深さが小さくなるように制御する。これにより、第２溶融固化層の残存厚さが薄くなるため、第１方向に走査しながらエネルギー線を照射して第１溶融固化層を形成する際に、第２溶融固化層が上書きされる。その結果、第１溶融固化層のみを含み、第１溶融固化層が厚さ方向に複数積層された結晶組織を得ることができる。同様にして、第２溶融固化層のみを含み、第２溶融固化層が厚さ方向に複数積層された結晶組織を得ることができる。

さらに、本発明の積層構造物の製造方法は、上述した第１方向及び第２方向に加えて、パウダーベッドの表面と平行、かつ第１方向及び第２方向とそれぞれ交差する第３方向にエネルギー線を走査しながら照射して第３溶融固化層を形成し、この第３溶融固化層を少なくとも１層以上含み、第１～第３溶融固化層が厚さ方向に複数層重なった結晶組織をさらに含む積層構造物を製造するものであってもよい。これにより、積層構造物の結晶組織の制御に、さらなる多様性を付与することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態である積層構造物の製造方法について、これに用いる積層構造物の製造装置とともに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。

（積層構造物の製造装置）
先ず、本発明の一実施形態である積層構造物の製造方法に適用可能な積層構造物の製造装置の構成について、説明する。図１は、本実施形態に適用可能な積層構造物の製造装置の構成の一例を示す模式図である。また、図２は、本実施形態に適用可能な積層構造物の製造装置が備える造形ステージの平面図である。
なお、本実施形態の積層構造物の製造方法では、エネルギー線としてレーザを用い、第１方向を図１及び図２中に示すｘ軸方向とし、第２方向を図１及び図２中に示すｙ軸方向とした場合を一例として、以下に説明する。
また、本実施形態では、ｘ軸方向に沿ったレーザの走査を「ｘ－ｓｃａｎ」と記載し、ｙ軸方向に沿ったレーザの走査を「ｙ－ｓｃａｎ」と記載する。

図１に示すように、積層構造物の製造装置（以下、単に「製造装置」と示す）１は、チャンバー２とパウダーベッド３と照射部４とガスフロー発生部５と造形ステージ６と図示略の制御部とを備える。

チャンバー２は、積層構造物の造形が行われる筐体である。チャンバー２の上方の側面は、シールドガス供給管１５が接続されている。シールドガス供給管１５はチャンバー２内にシールドガスを導入する。

シールドガスは、レーザの照射の際にチャンバー内の原料粉末の周囲に供給される気体である。シールドガスとしては、不活性ガスが好ましく、アルゴンガスがより好ましい。原料粉末の種類によっては、あえて原料と反応する酸素や水素等の不活性ガス以外のガスをシールドガスとして用いてもよい。不活性ガス以外のガスをシールドガスとして用いる場合、原料粉末とシールドガスが反応して、積層構造物に新たな特性を付与できる可能性がある。

原料粉末は、特に限定されない。原料粉末としては、例えば、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挙げられる。セラミックス粉末としては、上記金属の珪化物、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物などの粉末が挙げられる。原料粉末は、原料粉末とセラミックス粉末との混合粉末であっても良い。

原料粉末の粒径は、特に限定されない。粒径としては、例えば、１０～２００μｍ程度とすることができる。

チャンバー２内には、造形ステージ６が設けられている。造形ステージ６は、パウダーベッド３と貯留部７と回収部８とリコーター９とを有する。リコーター９は、図中に示すｘ軸方向に沿って往復移動する。

貯留部７は、パウダーベッド３に供給するための原料粉末と、原料粉末が載置される第１の昇降台１１とを有する。第１の昇降台１１の上昇によって原料粉末が造形ステージ６の上面より上側に堆積する。堆積した原料粉末は、リコーター９によってｘ軸方向に沿って移動してパウダーベッド３に供給される。パウダーベッド３の原料粉末Ｍの表面（パウダーベッドの表面）は、リコーター９によって平坦に整えられる。

リコーター９、第１の昇降台１１は、図示略の制御部と電気的に接続されている。そのため、リコーター９、第１の昇降台１１は、制御部の指示にしたがって、貯留部７の原料粉末をパウダーベッド３に供給できる。

パウダーベッド３は、原料粉末Ｍと、原料粉末Ｍが載置された第２の昇降台１２と、第２の昇降台１２の表面に載置された図示略のベースプレートとを有する。第２の昇降台１２は、ｚ軸方向に沿って移動可能である。そのため、原料粉末のパウダーベッド３は、チャンバー２内で、上下方向、すなわちｚ軸方向に移動可能である。

製造装置１において、第２の昇降台１２がｚ軸方向に△ｈ下降すると、厚さ△ｈの原料粉末Ｍの粉末層がパウダーベッド３に形成される。この第２の昇降台１２のｚ軸方向の下降距離△ｈは、積層構造物の各溶融固化層のためのパウダーベッドの堆積厚さ△ｈに対応する。

第２の昇降台１２は、図示略の制御部と電気的に接続されている。そのため、第２の昇降台１２は、制御部の指示にしたがって、パウダーベッドの堆積厚さ△ｈを制御できる。

照射部４は、レーザ発振機１３と光学系１４とを有する。レーザ発振機１３は、レーザの照射源であればよく、特に限定されない。

光学系１４は、レーザ発振機１３からのレーザを反射し、パウダーベッド３の原料粉末Ｍにレーザを走査しながら照射する。光学系１４は、一以上の反射鏡で構成される。また、レーザ発振機１３、光学系１４は、いずれも図示略の制御部と電気的に接続されている。

照射部４は、図示略の制御部の指示にしたがって、光学系１４によるレーザの反射方向を制御する。そして、照射部４は、レーザの反射方向を光学系１４によって制御し、レーザを走査して照射する。

照射部４は、レーザをパウダーベッド３の原料粉末に照射して照射位置の原料粉末Ｍを焼結又は溶融固化する。そのため、原料粉末の焼結物の溶融固化層、又は原料粉末の溶融固化物の溶融固化層をパウダーベッド３に形成できる。

ガスフロー発生部５は、パウダーベッド３の表面近傍に、当該表面に沿ってガスフローＦを与える。そのため、ガスフロー発生部５は、結晶組織の制御に加えて、溶融固化層へのレーザ照射時に発生するスパッタ、ヒューム等をガスフローＦによって除去することもできる。

ガスフロー発生部５は、図示略の制御部と電気的に接続されている。制御部は、レーザ発振機１３、光学系１４と電気的に接続されている。そのため、ガスフロー発生部５は、結晶組織の制御対象とする溶融固化層を形成するために照射するエネルギー線（レーザ）の走査方向に対して、ガスフローＦの方向を変化させることができる。また、ガスフロー発生部５は、図示略の制御部の指示にしたがい、ガスフローＦの流量を調整できる。

パウダーベッド３の表面上のガスフローＦの流速は、０．１～１０ｍ／ｓが好ましく、１．０～５．０ｍ／ｓがより好ましい。

ガスフローＦの組成は、シールドガスと同じ組成が好ましい。組成としては、例えば、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以上を含むガスが挙げられる。ガスフローは、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。

ガスフロー発生部５は、造形ステージ６に対するガスフロー発生部５の位置や向きを変化させることで、ガスフローＦの方向を変化させることができる。

原料粉末の種類に応じて、あえて原料と反応する酸素や水素等の不活性ガス以外のガスをシールドガスとして用いる場合、酸素や水素等のような不活性ガス以外のガスを、ガスフローとして用いることも可能である。この場合、原料粉末とガスフローが反応して、積層構造物に新たな特性を付与できる可能性がある。

図示略の制御部は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、メモリと、ハードディスクドライブとを備えてもよい。ハードディスクドライブは、ＣＡＤアプリケーションとＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）アプリケーションとを備えてもよい。この場合、制御部において、所望の形状の積層構造物の三次元構造データを作成できる。

図示略の制御部は、三次元構造データに基づいて加工条件データを作成する。加工条件データは、各溶融固化層について、それぞれ作成可能である。図示略の制御部は、加工条件データに基づいて、照射部４（レーザ発振機１３及び光学系１４）を制御し、レーザの出力、走査速度、走査間隔及び照射位置を調整できる。

回収部８は、第３の昇降台１６を有する。第３の昇降台１６は、ｚ軸方向に沿って移動可能である。製造装置１においては、リコーター９によってパウダーベッド３を形成した際に、余剰な原料粉末を回収部８に回収できる。また、造形終了後の積層構造物を回収する際にも、造形ステージ６に残留した原料粉末をリコーター９によって回収部８に移動させて回収できる。

（積層構造物の製造方法）
次に、本発明の一実施形態である積層構造物の製造方法について、説明する。
本実施形態の積層構造物の製造方法は、原料粉末を堆積させたパウダーベッドの表面に沿って、パウダーベッドの表面と平行なガスフローＦを設け、パウダーベッドの表面と平行なｘ軸方向（第１方向）に走査（ｘ－ｓｃａｎ）しながらレーザを照射してｘ－ｓｃａｎ層（第１溶融固化層）を形成し、パウダーベッドの表面と平行、かつｘ軸方向と直交するｙ軸方向（第２方向）に走査（ｙ－ｓｃａｎ）しながらレーザを照射してｙ－ｓｃａｎ層（第２溶融固化層）を形成し、ｘ－ｓｃａｎ層及びｙ－ｓｃａｎ層をそれぞれ１層以上含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織を含む積層構造物を製造する方法であって；ｘ－ｓｃａｎ層を形成する際、パウダーベッドの堆積厚さ（第１堆積厚さ）と、パウダーベッドに照射するレーザの入熱量（第１入熱量）とを調整して、ｘ－ｓｃａｎ層の積層厚さ及び溶け込み深さを制御し；ｙ－ｓｃａｎ層を形成する際、パウダーベッドの堆積厚さ（第２堆積厚さ）と、パウダーベッドに照射するレーザの入熱量（第２入熱量）とを調整して、ｙ－ｓｃａｎ層の積層厚さ及び溶け込み深さを制御し；ｘ－ｓｃａｎの入熱量は、ｘ軸方向とガスフローＦの方向とのなす角のうち最小の角度αｘ（α１）を調整して制御し；ｙ－ｓｃａｎの入熱量は、ｙ軸方向とガスフローＦの方向とのなす角のうち最小の角度αｙ（α２）を調整して制御して；結晶組織におけるｘ－ｓｃａｎ層の残存厚さと、ｙ－ｓｃａｎ層の残存厚さと、を制御する。

以下、本実施形態の積層構造物の製造方法について、上述した製造装置１を用いる場合について、図面を参照しながら具体的に説明する。

本実施形態の積層構造物の製造方法においては、原料粉末のパウダーベッドにエネルギー線としてレーザを照射して形成した溶融固化層を複数重ねて積層構造物を得る。積層構造物のＣＡＤデータに基づいて、パウダーベッドの形成、溶融固化層の形成、溶融固化層の積層が任意の回数繰り返される。

図１、２に示す製造装置１を用いる場合、最初に照射されるレーザによって形成される１層目の層、すなわち最下層の溶融固化層は、第２の昇降台１２の表面のベースプレート（図示略）と接触する。その後、１層目の溶融固化層の上側に溶融固化層が順次積層される。

レーザ照射の前には、シールドガス供給管１５からチャンバー２内及び第１の昇降台１１、第２の昇降台１２、第３の昇降台１６の下側の空洞部にシールドガスを供給するとよい。これにより、シールドガスが充満する。そのため、充分量のシールドガスの存在下で、レーザを用いて原料粉末に熱を供給して溶融固化層を形成できる。

本実施形態では、照射部４を用いることで、ｘ－ｓｃａｎとｙ－ｓｃａｎとを繰り返し交互に実行して、ｚ軸方向に複数の溶融固化層を積層できる。

このとき、図３に示すように、シールドガスのガスフローＦの方向は、ｘ－ｓｃａｎとｙ－ｓｃａｎとで異なる。具体的には、ｘ－ｓｃａｎにおけるエネルギー線の走査方向とガスフローＦの方向とのなす角のうち最小の角度をαｘ、ｙ－ｓｃａｎにおけるエネルギー線の走査方向とガスフローＦの方向とのなす角のうち最小の角度をαｙとしたときに、αｘ＞αｙの関係となるように、レーザの走査方向に応じてシールドガスのガスフローの方向を変更する。

例えば、図４に示すように、２ｎ－１層目の溶融固化層をｙ－ｓｃａｎで形成し、かつ、２ｎ層目の溶融固化層をｘ－ｓｃａｎで形成して積層構造物１０を製造できる（ｎ：自然数）。この場合、２ｎ－１層目の溶融固化層は、ｙ－ｓｃａｎで形成した溶融固化層（以下、「ｙ－ｓｃａｎ層」と記載する場合もある。）となり、２ｎ層目の溶融固化層はｘ－ｓｃａｎで形成した溶融固化層（以下、「ｘ－ｓｃａｎ層」と記載する場合もある。）となる。

２ｎ－１層目のパウダーベッドの形成においては、貯留部７の原料粉末がリコーター９によって第２の昇降台１２の表面に供給され、堆積厚さ△ｈのパウダーベッドが２ｎ－２層目の溶融固化層の上側に形成される。この堆積厚さ△ｈのパウダーベッドにレーザを照射し、２ｎ－１層目の溶融固化層を形成する。２ｎ－１層目の溶融固化層の形成においては、レーザ走査によって粉末層が焼結又は溶融固化する。その結果、２ｎ－２層目の溶融固化層の上側に２ｎ－１層目の溶融固化層が積層される。

２ｎ層目のパウダーベッドの形成においては、堆積厚さ△ｈのパウダーベッドが２ｎ－１層目の溶融固化層の上側に形成される。そして、２ｎ－１層目の溶融固化層の表面に形成されたパウダーベッドの上側にレーザを照射する。すると、レーザ走査によって粉末層が焼結又は溶融固化し、２ｎ層目の溶融固化層が形成され、２ｎ－１層目の溶融固化層の上側に２ｎ層目の溶融固化層が積層される。

このようにパウダーベッドの形成、溶融固化層の形成及び積層を繰り返すことで、溶融固化層を複数重ねて積層構造物を製造できる。ｘ－ｓｃａｎとｙ－ｓｃａｎを繰り返し交互に実行し、ｘ－ｓｃａｎ層とｙ－ｓｃａｎ層とが繰り返し積層された結晶組織を有する積層構造物１０を製造できる。積層構造物１０は、ベースプレートに載置された状態で、チャンバー２内から回収される。

以下、積層構造物１０の製造を例として、ｘ－ｓｃａｎ層とｙ－ｓｃａｎ層とを結晶組織における制御対象とした積層構造物の製造方法を説明する。

図５は、ｘ－ｓｃａｎの方向に対してガスフローＦの方向を直交させ、ｙ－ｓｃａｎの方向に対してガスフローＦの方向を平行にした場合を示す。この場合、αｘは９０°、αｙは０°である。

このとき、レーザの出力及び走査速度が一定であれば、レーザがガスフローＦの影響を受けて、ｙ－ｓｃａｎ時のレーザのパウダーベッドへの入熱量がｘ－ｓｃａｎ時のレーザのパウダーベッドへの入熱量よりも減衰する。その結果、ｙ－ｓｃａｎでは溶融固化層の溶け込み深さがｘ－ｓｃａｎよりも減少し、結晶組織に残存するｙ－ｓｃａｎ層の厚さがｘ－ｓｃａｎ層の厚さより小さくなる。

このように、本実施形態の積層構造物の製造方法では、ｘ－ｓｃａｎとｙ－ｓｃａｎを繰り返し交互に実行する際、αｘ＞αｙの関係を充たすようにガスフローＦの方向を変化させることで、結晶組織において制御対象となるｙ－ｓｃａｎ層の溶け込み深さがｘ－ｓｃａｎ層の溶け込み深さよりも少なくなる。結果として、積層構造物中に含まれる結晶組織においてｙ－ｓｃａｎ層の残存厚さを変えることができる。

本実施形態の積層構造物の製造方法によれば、結晶組織の結晶配向、結晶方位の配向性をガスフローＦの方向の意図的な変化によって調整できるため、積層構造物の結晶組織を容易に制御できる。このとき、ガスフローＦの方向の変化に加えて、ガスフローＦの流量を変化させることで、積層構造物の結晶組織をより精密に変化させることができる。

ｙ－ｓｃａｎ層を結晶組織の制御対象とする場合、ｙ－ｓｃａｎ層のためのパウダーベッドの堆積厚さを、これと隣接するｘ－ｓｃａｎ層の形成のためのパウダーベッドの堆積厚さと変化させることも有効である。

ｙ－ｓｃａｎ層のためのパウダーベッドの堆積厚さと、ｘ－ｓｃａｎ層のためのパウダーベッドの堆積厚さとを互いに変化させることで、積層構造物中の結晶組織において、ｙ－ｓｃａｎ層の残存厚さを精密に変えることができる。

結果として、結晶組織の結晶配向、結晶方位の配向性をパウダーベッドの堆積厚さの変化によって調整できるため、積層構造物の結晶組織を容易に制御できる。

例えば、ｘ－ｓｃａｎ層の堆積厚さと、ｙ－ｓｃａｎ層の堆積厚さとを同一とし、これらの堆積厚さを、ｘ－ｓｃａｎにおける溶融固化層の溶け込み深さ「Ｓｘ」と、ｙ－ｓｃａｎにおける溶融固化層の溶け込み深さ「Ｓｙ」との差「Ｓｘ－Ｓｙ」よりも大きくすることで、ｙ－ｓｃａｎ層をｘ－ｓｃａｎ層で上書きして消去することができる。

また、ｘ－ｓｃａｎ層の堆積厚さとｙ－ｓｃａｎ層の堆積厚さとを同一とし、これらの堆積厚さを、ｘ－ｓｃａｎにおける溶融固化層の溶け込み深さ「Ｓｘ」と、ｙ－ｓｃａｎにおける溶融固化層の溶け込み深さ「Ｓｙ」との差「Ｓｘ－Ｓｙ」よりも小さくすることで、ｙ－ｓｃａｎ層を積層構造物に意図的に残存させることもできる。

ｘ－ｓｃａｎにおける溶融固化層の溶け込み深さ「Ｓｘ」と、ｙ－ｓｃａｎにおける溶融固化層の溶け込み深さ「Ｓｙ」は、造形物の金属組織の観察により求めることができる。具体的には、サンドペーパーによる研磨とバフ研磨により鏡面仕上げした金属組織をエッチングし、顕微鏡により観察できる。観察した金属組織のレーザ（エネルギー線）の走査方向は、溶融池の重なり方向から判別することができる。ｘ－ｓｃａｎの場合、ｘ－ｓｃａｎのレーザ照射をｙ方向に向かって繰り返すため、ｙｚ面に溶融池の重なりが生じ、溶融池はｙ方向に向かって重なる。ｙ－ｓｃａｎの場合、ｙ－ｓｃａｎのレーザ照射をｘ方向に向かって繰り返すため、ｘｚ面に溶融池の重なりが生じ、溶融池は－ｘ方向に向かって重なる。

このように、積層構造物を構成する各層おいて、結晶組織の結晶配向、結晶方位にさらなる変化を与えて、結晶組織の制御にさらなる精密さを提供できる。

また、パウダーベッドの堆積厚さ△ｈを変化させることで、一つの積層構造物内に異なる結晶組織を与え、機械特性に異方性を付与することも可能である。

例えば、図６に示すように、積層厚さ△ｈ２０μｍの積層造形を繰り返して結晶組織Ａを形成したあとに、積層厚さ△ｈ６０μｍの積層造形を繰り繰り返して結晶組織Ｂを形成することで、Ｚ方向に結晶組織が変化した積層構造物を製造することができる。

さらには、積層方向（Ｚ方向）だけではなく、溶融固化層のＸＹ平面内においても結晶組織を制御できる。例えば、パウダーベッド（粉末層）の堆積厚さ△ｈが小さい状態で任意の場所にレーザを照射して溶融固化層を形成し、その上にパウダーベッドを設けた場合、前層の薄いパウダーベッドのうち、レーザを照射していない部分の上側のパウダーベッドにレーザを照射することで、局所的に残存厚さを厚くすることができる。このように、溶融固化層の平面内における結晶組織の制御も可能である。

例えば、図７に示すように、積層厚さ△ｈが２０μｍの積層造形において、図中の左右の造形領域では積層する度にレーザを照射して結晶組織Ａを形成し、図中の中央の造形領域では１回目及び２回目の積層工程ではレーザを照射せずに、３回目の積層工程でレーザを照射することで、積層厚さ△ｈが６０μｍの結晶組織Ｂを形成してもよい。

以上説明したように、本実施形態の積層構造物の製造方法によれば、任意の三次元構造の積層構造物に含まれる結晶組織を容易に制御でき、任意の結晶配向の制御が可能となる。かかる積層構造物は、幅広い産業分野における種々の製品群に有利な効果を及ぼす。例えば、所望の機械的特性を発現する結晶組織が得られるようになること、積層構造物に対する種々の特性に対する要求を満足できること等の利点が提供される。

例えば、パウダーベッド（粉末層）の堆積厚さ△ｈを薄くした場合、ｙ－ｓｃａｎ層は積層構造物から消失しやすい。そのため、ｘ－ｓｃａｎとｙ－ｓｃａｎとを交互に実行していたとしても、積層構造物からｙ－ｓｃａｎ層を意図的に消去でき、ｘ－ｓｃａｎのみ実行した場合と同様の結晶組織を有する積層構造物を製造することができる。

これに対して、パウダーベッド（粉末層）の堆積厚さ△ｈを厚くした場合、ｙ－ｓｃａｎ層は積層構造物に残存しやすい。そのため、ｘ－ｓｃａｎ層とｙ－ｓｃａｎ層とが混在した結晶組織が発現しやすい。

例えば、ステンレス鋼の積層構造物において、２ｎ－１層目にｙ－ｓｃａｎ層、２ｎ層目にｘ－ｓｃａｎ層を所定の積層厚さ以上で交互に積層した場合、積層方向、すなわちｚ軸方向に沿って、＜００１＞の単結晶様組織が発現する。

一方、ステンレス鋼の積層構造物において、２ｎ－１層目にｙ－ｓｃａｎ層、２ｎ層目にｘ－ｓｃａｎ層を所定の積層厚さ未満で交互に積層した場合、積層方向、すなわちｚ軸方向に沿って、２種類の＜００１＞と＜０１１＞で構成されるラメラ結晶組織が発現する。

なお、本実施形態では、第２の昇降台１２のｚ軸方向の下降距離△ｈを変化させることで、積層構造物の各溶融固化層のためのパウダーベッドの堆積厚さ△ｈを変化させた。これに加え、堆積厚さ△ｈのパウダーベッドが溶融固化層の上側に形成された後、パウダーベッドにレーザを照射せずに、再度、パウダーベッドを形成することで、パウダーベッドの堆積厚さ△ｈを変化させてもよい。例えば、図８に示すように、２０μｍの積層厚さ△ｈにおいて、１回目及び２回目の積層工程ではレーザを照射せずに、３回目の積層工程でレーザを照射することで、積層厚さ△ｈを６０μｍとしてもよい。

（他の実施形態例）
以上一実施形態例について説明したが、本発明は本開示内容に限定されず、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施できる。開示の実施形態例等は、その他の様々な形態で実施可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更が可能である。

例えば、上述した実施形態では、結晶組織の制御対象の溶融固化層は複数の溶融固化層であってもよく、一層の溶融固化層であってもよい。複数の溶融固化層を制御対象とする場合、当該複数の溶融固化層はすべて同一の走査方向のエネルギー線で形成してもよく、互いに異なる走査方向のエネルギー線で形成してもよい。

また、上述した実施形態では、レーザの走査方向がｘ方向及びｙ方向の、２方向の場合を一例として説明したが、本発明はこれに限定されない。レーザの走査方向は、３方向以上であってもよい。
具体的には、レーザの走査方向が３方向である場合、第１方向と第２方向とのなす角のうち最小の角度、第２方向と第３方向とのなす角のうち最小の角度、及び第３方向と第１方向とのなす角のうち最小の角度が、それぞれ６０°としてもよい。
また、レーザの走査方向が４方向である場合、第１方向と第２方向とのなす角のうち最小の角度、第２方向と第３方向とのなす角のうち最小の角度、第３方向と第４方向とのなす角のうち最小の角度、及び第４方向と第１方向とのなす角のうち最小の角度が、それぞれ４５°としてもよい。

さらに、本発明は、第１～第５溶融固化層をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｃ，Ｄ，Ｅとした場合、以下の（１）～（５）の態様を含む。
（１）積層構造物全体にわたって、Ａ層とＢ層とを交互に積層する造形方法
最下層側：ＡＢＡＢＡＢＡＢ・・・ＡＢＡＢＡＢＡＢ：最上層側
（２）積層構造物全体にわたって、Ａ層～Ｅ層を繰り返し積層する造形方法
最下層側：ＡＢＣＤＥ・・・ＡＢＣＤＥ：最上層側
（３）積層構造物全体にわたって、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層の順で繰り返し積層する造形方法
最下層側：ＡＢＣＡＢＣＡＢＣ・・・ＡＢＣＡＢＣＡＢＣ：最上層側
（４）積層構造物全体にわたって、連続したＡ層と連続したＢ層とを交互に積層する造形方法
最下層側：ＡＡＡＢＢＢＡＡＡ・・・ＢＢＢＡＡＡＢＢＢ：最上層側
（５）積層構造物全体にわたって、連続したＡ層、連続したＢ、連続したＣ層を繰り返し積層する造形方法
最下層側：ＡＡＢＢＣＣ・・・ＡＡＢＢＣＣ：最上層側

上述した実施形態では、ｘ－ｓｃａｎの方向に対してガスフローＦの方向を直交させ、ｙ－ｓｃａｎの方向に対してガスフローＦの方向を平行にした場合（すなわち、αｘ＝９０°、αｙ＝０°）を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、αｘが４５°以上９０°以下、αｙが０°以上４５°以下としてもよい。

例えば、２ｎ－１層目の溶融固化層をｙ－ｓｃａｎで形成し、かつ、２ｎ層目の溶融固化層をｘ－ｓｃａｎで形成して積層構造物１０を製造する、上述した実施形態において、以下の構成要件（α）、（β）を採用する変更が可能である。

構成要件（α）：２ｎ－１層目のｙ－ｓｃａｎ層を形成する際に、αｙが０°以上４５°以下となるようにガスフローＦの方向を変化させること。
構成要件（β）：２ｎ層目のｘ－ｓｃａｎ層を形成する際に、αｘが４５°以上９０°以下となるようにガスフローＦの方向を変化させること。

構成要件（α）、（β）によって、積層構造物に含まれる結晶組織中の、ｘ－ｓｃａｎ層及びｙ－ｓｃａｎ層の残存厚さを変えることができると考えられる。また、積層構造物の結晶組織の制御の態様にさらなる多様性が提供され得る。
構成要件（α）、（β）は一つの積層構造物の製造に際して、併用して採用可能である。構成要件（α）、（β）を採用したとき、各構成要件による効果が重畳的に得られると考えられる。この場合、互いに隣接するｘ－ｓｃａｎ層、ｙ－ｓｃａｎ層の形成のために、構成要件（α）、（β）を連続的に採用してもよく；互いに隣接せず、複数の溶融固化層を介して離散したｘ－ｓｃａｎ層、ｙ－ｓｃａｎ層の形成のために、構成要件（α）、（β）を断続的に採用してもよい。

図示を省略するが他の実施形態例においては、ｘ軸方向に沿ってレーザを走査して２ｎ－１層目を形成し、ｙ軸方向に沿ってレーザを走査して２ｎ層目を形成してもよい。この場合、２ｎ－１層目がｘ－ｓｃａｎ層となり、２ｎ層目がｙ－ｓｃａｎ層となる。

また、ｘ－ｓｃａｎ、ｙ－ｓｃａｎのそれぞれにおいて、走査の態様は往復でも一方向でもどちらでもよい。

上述した実施形態では、レーザの走査方向を固定し、ガスフローＦの方向を変化させたが、これに限られない。例えば、ガスフローＦの方向を固定し、レーザの走査方向を変化させてもよい。

以下、実験例によって本発明の効果を説明するが、本発明は以下の記載によって何ら限定されない。

＜実験例＞
原料粉末として、以下の組成の粉末を用いた。
組成：１８Ｃｒ－１４Ｎｉ－２．５Ｍｏ－０．０３Ｃ－６５．４７Ｆｅ（質量％）。
原料粉末のガス噴霧粉末の粒径は、５３μｍ以下のものを用いた。

積層構造物の製造条件は、以下の通りである。
使用装置：ＥＯＳ Ｍ２９０（ＥＯＳ社製）；
レーザ走査：ｘ－ｓｃａｎ、ｙ－ｓｃａｎを交互に行う。ｘ－ｓｃａｎ、ｙ－ｓｃａｎそれぞれにおいてレーザ走査は往復して行った（図９参照）；
積層厚さ：２０μｍ又は６０μｍ；
出力：２５０Ｗ；
ｘ－ｓｃａｎ、ｙ－ｓｃａｎの走査速度：８００ｍｍ／ｓ；
ｘ－ｓｃａｎ、ｙ－ｓｃａｎの走査間隔：０．０８ｍｍ。

ガスフロー発生部５のガスフロー条件は、以下の通りである。
ガスフローのガス種：アルゴンガス；
ガスフローの方向：ｙ－ｓｃａｎの実行時に、ｙ軸に沿ってアルゴンガスを流した。ｙ－ｓｃａｎ層が制御対象の溶融固化層である。
ガスフローの流速：ベーン式風速計ｔｅｓｔｏ ４４０ ｄＰ（Ｔｅｓｔｏ社製）を用いて、造形ステージ６内のパウダーベッド３表面上の流速を測定した（図２参照）。パウダーベッド３のｘ軸方向の中央を通り、かつ、ｙ軸方向に沿った平面上の下記のＰ１、Ｐ２、Ｐ３の三箇所で測定した。
・Ｐ１：ｙ軸方向でガスフロー発生部５と最も近く、パウダーベッド３の表面からｚ軸方向に約８ｍｍ離れた位置。
・Ｐ２：ｙ軸方向でＰ１の次にガスフロー発生部５と近く、パウダーベッド３の表面から、ｚ軸方向に約８ｍｍ離れた位置。
・Ｐ３：ｙ軸方向でガスフロー発生部５から最も遠く、パウダーベッド３の表面からｚ軸方向に約８ｍｍ離れた位置。
Ｐ１におけるガスフローの流速は、１．９ｍ／ｓであった。
Ｐ２におけるガスフローの流速は、１．７ｍ／ｓであった。
Ｐ３におけるガスフローの流速は、１．７ｍ／ｓであった。

積層構造物の結晶組織の評価方法は以下の通りである。
走査型電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）及び後方散乱電子回折法（ＥＢＳＤ）を使用した。積層構造物をｘｙ面及びｙｚ面で切断し、＃４０００までのエメリー紙で研磨し、コロイダルシリカを用いた研磨により鏡面仕上げした。その後、２１％ＨＦ、２９％ＨＮＯ_３、５０％Ｈ_２Ｏからなるエッチング溶液でエッチングした。その後、ｘｙ面及びｙｚ断面の結晶方位を観察して分析した。
ＦＥ－ＳＥＭとして、ＪＩＢ－４６１０Ｆ（ＪＥＯＬ社製）を使用した。
ＥＢＳＤとして、ＮｏｒｄｌｙｓＭａｘ３（Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）を使用した。

＜実験例１＞
上記条件で、積層厚さを２０μｍとした。図１０に結晶方位マップと極点図を示す。図１０（ａ）に示すように、ｚ軸（積層方向）に対し、＜０１１＞の結晶方位が発現し、等間隔で＜００１＞が発現する、特異的なラメラ組織が確認された。

＜実験例２＞
上記条件で、積層厚さを６０μｍとした。図１０に結晶方位マップと極点図を示す。図１０（ｂ）に示すように、ｚ軸（積層方向）に対し、＜００１＞の単結晶様組織が確認された。

＜実験例１、２の積層構造物の結晶組織＞
図１１は、実験例１、２において作製した積層構造物の結晶組織を観察した結果を示す。図１１中の矢印は、溶解に伴う温度勾配を示す。一般的にセル組織（凝固組織）はこの温度勾配に近い方向に成長するとされており、このセル組織の伸長方向は結晶学的に＜１００＞方向に平行である。

図１１の上段：（ａ）に示すように、積層厚さ：２０μｍで作製した実験例１では、ｙｚ面に矢印で示すように、ｘ－ｓｃａｎでは、メルトプールの構築方向から２つの方向性（±４５°）に沿ってセル組織が成長し、その方向に＜１００＞が配向し、結晶方位マップの＜０１１＞方向と対応している。また、メルトプール中心部では、積層方向に沿ってセル組織が成長し、＜００１＞方向に対応している。
一方、ｙ－ｓｃａｎでは、ｘ－ｓｃａｎの結晶配向性が支配的になっていることが確認された。この原因として、ｘ－ｓｃａｎでの形成された層と比べ、ｙ－ｓｃａｎでの層が減少することで、ｙ－ｓｃａｎがｘ－ｓｃａｎに上書きされ、ｘ－ｓｃａｎに偏った結晶配向性となったと考えられる。
実験例１では、ｙ－ｓｃａｎがｘ－ｓｃａｎによって上書きされ、ｙ－ｓｃａｎの層厚さが減少または消失したと考えられる。その結果、積層構造物にラメラ結晶組織が発現したと推測される。

図１１の下段：（ｂ）に示すように、積層厚さ：６０μｍで作製した実験例２では、メルトプール底部から積層方向に沿って細長いセル組織が成長し、メルトプール上壁部から、造形方向に対して垂直方向に成長している。その結果、積層構造物に造形方向に沿って＜００１＞の単結晶様組織が形成された。
実験例２では積層厚さが実験例１と比較して充分厚いことから、ｙ－ｓｃａｎが残存し、ラメラ結晶組織のようなものではなく、単結晶様組織が発現したと推測される。

＜実験例３＞
積層厚さを：２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、８０μｍとそれぞれ変更した際のｘ－ｓｃａｎ層の溶融深さ、ｙ－ｓｃａｎ層の溶融深さをそれぞれ測定した。
積層構造物の作製条件は、積層厚さを上述したようにそれぞれ変更した以外は、実験例１、２と同様である。

図１２は、実験例３において作製した積層構造物の結晶組織を観察した結果を示す。また、図１３は、実施例３における、パウダーベッドの堆積厚さと溶融プールの深さとの関係を示す。
図１２及び図１３に示すように、ｙ－ｓｃａｎではガスフローと垂直なレーザ走査（ｘ－ｓｃａｎ）よりもエネルギーが減衰した結果、ｙ－ｓｃａｎ層の溶融深さはｘ－ｓｃａｎ層の溶融深さよりも小さくなった。このとき、ｘ－ｓｃａｎにおける溶融深さ「Ｓｘ」とｙ－ｓｃａｎにおける溶融深さ「Ｓｙ」との差「Ｓｘ－Ｓｙ」は、下記に示す表１の通りであった。表１に示すように、「Ｓｘ－Ｓｙ」の平均値は２８．５μｍであった。

なお、図１３中に示すアスタリスク「＊」は、以下に示す「Student's t-test」により統計的に解析したＰ値が０．０５未満であることを示す。Ｐ値が０．０５未満である場合、線でつながれたデータの差異には有意性があることを示す。図１３中に示すデータ差異は、すべてＰ値が０．０５未満であり、有意性があることが確認された。

ここで、「Student's t-test」は、Ｐ値による有意差判定と母平均差分の信頼区間から構成される。Ｐ値による有意差判定は、２つの母集団の平均や標準偏差から、その２つ（２群）の母平均が等しいと言えるかをＰ値によって調査した。具体的には、溶融深さＳｘとＳｙをそれぞれ１０個測定し、「Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ３６５」の関数「Ｔ．ＴＥＳＴ」を用いて、等分散の２標本を対象とするｔ検定（両側検定）を実施した。

＜実験例４＞
積層厚さを：２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、８０μｍとそれぞれ変更した際のｘ－ｓｃａｎ層の残存厚さ（ｘ－ｓｃａｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）、ｙ－ｓｃａｎ層の残存厚さ（ｙ－ｓｃａｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）をそれぞれ測定した。
積層構造物の作製条件は積層厚さを上記のようにそれぞれ変更した以外は、実験例１、２と同様である。

図１４及び図１５に示す結果のように、ｙ－ｓｃａｎではガスフローと垂直なレーザ走査（ｘ－ｓｃａｎ）よりもエネルギーが減衰した結果、ｙ－ｓｃａｎ層の厚さはｘ－ｓｃａｎ層の厚さより小さく制御できた。
なお、図１５のデータ差異は、すべて上述した「Ｐ値」が０．０５未満であり、有意性があることが確認された。

加えて、積層厚さ２０μｍにおいてはｙ－ｓｃａｎがｘ－ｓｃａｎに上書きされ、ｘ－ｓｃａｎに偏った結晶配向性である結晶組織が確認された。結果として、積層構造物に残存して積層方向に沿って１種類の結晶組織が発現した。

積層厚さ３０μｍにおいては、ｙ－ｓｃａｎがｘ－ｓｃａｎに上書きされず、ｘ－ｓｃａｎとｙ－ｓｃａｎそれぞれに偏った結晶配向性である結晶組織が確認された。結果として、積層構造物に残存して積層方向に沿って２種類の結晶組織が発現した。

積層厚さ４０μｍ以上においては、ｙ－ｓｃａｎがｘ－ｓｃａｎに上書きされず、ｘ－ｓｃａｎとｙ－ｓｃａｎそれぞれに偏った結晶配向性である結晶組織が確認された。さらに、ｙ－ｓｃａｎの結晶組織について、隣接する溶融池が接触していることも確認された。接触点は、積層厚さが増えるにつれて多く確認された。

＜実験例５＞
パウダーベッドの積層厚さを２０μｍ、６０μｍ、２０μｍ、と繰り返し変化させた。このとき、図１６に示す積層構造物が製造されると考えられる。図１６に示すように、積層厚さが２０μｍであるとき、ｙ－ｓｃａｎ層はｘ－ｓｃａｎ層に上書きされ、積層構造物から消失する。一方、積層厚さが６０μｍであるとき、ｙ－ｓｃａｎ層は積層構造物に残存する。結果として、ｙ－ｓｃａｎ層が部分的に消失した積層構造物が得られる。図１７に示すように、積層方向に沿って２種類の結晶組織が発現した。

以上の実験例の結果から、レーザ（エネルギー線）の走査方向とガスフローＦの方向とのなす角のうち最小の角度αの制御、及びパウダーベッドの堆積厚さの制御により、積層方向に少なくとも＜００１＞と＜０１１＞からなるラメラ組織や＜００１＞になる単結晶様組織を形成できることを確認した。このように、レーザの走査方向をｘ－ｙ（９０°）と固定したとしても、レーザの走査方向とガスフローＦの方向とのなす角のうち最小の角度αの制御、及びパウダーベッドの堆積厚さの制御により、積層方向において結晶配向の変化を与えられることも利点である。例えば、積層方向に対するパーツの向きを変化しても、任意の結晶配向性を有するパーツが得られ、結晶配向性の制御により、機械的強度、弾性率等の性能を幅広く制御できることを期待できる。

一般的に、熱源（エネルギー線）の出力、スキャン速度、スキャンストラテジーのプロセスパラメータの調整により、どのような原料粉末でも溶融できる。上記の実験例は、ステンレス系合金の実験結果であるが、レーザにより溶融できる原料であれば、ステンレス系合金と同様の効果が得られる。

１…積層構造物の製造装置、２…チャンバー、３…パウダーベッド、４…照射部、５…ガスフロー発生部、６…造形ステージ、７…貯留部、８…回収部、９…リコーター、１０…積層構造物、１１…第１の昇降台、１２…第２の昇降台、１３…レーザ発振機、１４…光学系、１５…シールドガス供給管、１６…第３の昇降台、Ｍ…原料粉末。

Claims (4)

1. 原料粉末を堆積させたパウダーベッドの表面に沿って、前記表面と平行なガスフローを設け、
   前記表面と平行な第１方向にエネルギー線を走査しながら照射して第１溶融固化層を形成し、
   前記表面と平行、かつ前記第１方向と交差する第２方向にエネルギー線を走査しながら照射して第２溶融固化層を形成し、
   前記第１及び第２溶融固化層をそれぞれ１層以上含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織を含む積層構造物を製造する方法であって、
   前記第１溶融固化層を形成する際、パウダーベッドの第１堆積厚さと、前記パウダーベッドに照射するエネルギー線の第１入熱量とを調整して、前記第１溶融固化層の積層厚さ及び前記第１溶融固化層の溶け込み深さを制御し、
   前記第２溶融固化層を形成する際、パウダーベッドの第２堆積厚さと、前記パウダーベッドに照射するエネルギー線の第２入熱量とを調整して、前記第２溶融固化層の積層厚さ及び前記第２溶融固化層の溶け込み深さを制御し、
   前記第１入熱量は、前記第１方向と前記ガスフローの方向とのなす角度α１を調整して制御し、
   前記第２入熱量は、前記第２方向と前記ガスフローの方向とのなす角度α２を調整して制御して、
   前記結晶組織における前記第１溶融固化層の残存厚さと、前記第２溶融固化層の残存厚さと、を制御する、積層構造物の製造方法。
2. 前記角度α１及び前記角度α２のうち、一方を４５°以上９０°以下に調整し、他方を０°以上４５°以下に調整する、請求項１に記載の積層構造物の製造方法。
3. 前記第１溶融固化層又は前記第２溶融固化層のみを含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織をさらに含む、請求項１に記載の積層構造物の製造方法。
4. 前記表面と平行、かつ前記第１方向及び前記第２方向とそれぞれ交差する第３方向にエネルギー線を走査しながら照射して第３溶融固化層を形成し、
   前記第３溶融固化層を少なくとも１層以上含み、これらが厚さ方向に複数層重なった結晶組織をさらに含む積層構造物を製造する、請求項１に記載の積層構造物の製造方法。

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