JP2024016853A - 混合粉末の製造方法、混合粉末の製造装置、付加製造方法および付加製造装置 - Google Patents

混合粉末の製造方法、混合粉末の製造装置、付加製造方法および付加製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数種の粉末を所望の混合比で精確かつ迅速に混合できる、混合粉末製造方法および混合粉末製造装置と、付加製造方法および付加製造装置を提供することを目的とする。【解決方法】複数種の粉末を原料とする混合粉末の製造方法であって、前記複数種の粉末を、前記複数種の粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路を用いて、間隙空間まで圧送する第１の工程と、圧送された前記複数種の粉末を、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和（総和断面積）よりも大きい断面積を有する前記間隙空間に噴出させて混合し、混合粉末を得る第２の工程と、前記混合粉末を、前記間隙空間の下流側に設けられた吐出口から吐出する第３の工程と、を有する混合粉末製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、複数種の粉末を混合して混合粉末を製造する、混合粉末製造方法、混合粉末製造装置、付加製造方法および付加製造装置に関する。
近年、あらかじめ多種の金属粉末を混合して、その混合した金属粉末を用いて造形する付加製造方法や付加製造装置の開発が進んでいる。そこで製造過程の効率化と時間短縮のために、複数種の粉末を所望の混合比で迅速に混合できる混合粉末機能を備えた付加製造装置が求められている。例えば、特許文献１では、粉末の供給量を制御する技術として、粉末を熱源ビーム照射箇所に吐出させるまでの供給路において、圧送されてきた粉末を所望の供給量になるよう分配するため、供給路の途中に分岐弁を備え、その分岐弁の開閉割合によって、粉末の供給量を制御し、かつ分岐により低下した圧送力を補うことが開示されている。
また、特許文献２では、粉末を混合する混合技術として、底部に開閉するシャッターを備えた材料チャンバーと、その下部に設けられた混合チャンバーとを有し、複数種の材料を材料チャンバーごとに収納し、それら材料が所望の混合比になるよう、底部のシャーターの開閉面積によって供給量を調節し、混合チャンバーにて混合することが開示されている。
特開２０１２－１２５７７２号公報 特開２０１７－５２１２９号公報
しかしながら、特許文献１には、粉末毎に分岐弁およびその調節、制御機構なるものを設ける必要が生じ、装置が大掛かりになることや、分岐弁の摩耗などにより、開閉割合と実際の供給量にバラつきが生じたり、分岐弁に粉末が付着することで、粉末が供給流路内で詰まるなどして、所望の混合比を持つ混合粉末を供給することが困難であった。
また、特許文献２の方法においても、材料の混合比を制御する際、シャッターの開閉度で調節していることや、材料を混合チャンバーに落下させて混合する方法であることから、迅速に安定した混合状態を実現することが困難だった。
そこで本発明は、複数種の粉末を所望の混合比で精確かつ迅速に混合できる、混合粉末製造方法および混合粉末製造装置と、付加製造方法および付加製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、複数種の粉末を原料とする混合粉末の製造方法であって、前記複数種の粉末を、前記複数種の粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路を用いて、間隙空間まで圧送する第１の工程と、圧送された前記複数種の粉末を、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和よりも大きい断面積を有する前記間隙空間に噴出させて混合し、混合粉末を得る第２の工程と、前記混合粉末を、前記間隙空間の下流側に設けられた吐出口から吐出する第３の工程と、を有する混合粉末製造方法である。
また、本発明は、複数種の粉末を原料とする混合粉末の製造装置であって、前記粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路と、前記複数の原料粉末供給路が接続された混合室と、前記混合粉末を吐出する吐出口を備える吐出路と、を有し、前記混合室は、容器と、前記容器の中に配置された、前記容器の内壁に対向する外壁を有する内挿部材と、前記容器の内壁と前記内挿部材の外壁との間に形成された間隙空間と、前記間隙空間の上部に、前記複数の原料粉末供給路と繋がるそれぞれの開口部と、を備え、前記吐出路は、前記間隙空間の下部に接続され、前記間隙空間は、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和よりも大きい断面積を有することを特徴とする混合粉末製造装置である。
また、前記容器の内壁の表面粗さは、算術平均粗さＲａ１２．５μｍ以下であり、前記内挿部材の外壁の表面粗さは、算術平均粗さＲａ１２．５μｍ以下であることが好ましい。
また、本発明は、複数種の粉末を原料とする混合粉末を用いて付加製造するための付加製造装置であって、前記複数種の粉末毎に設けた、粉末供給装置と、前記複数種の粉末を混合して混合粉末を作製する、前記混合粉末製造装置と、熱源ビームを造形箇所に向けて照射する、ヘッド部と、を備え、前記粉末供給装置は、前記粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路に接続され、前記ヘッド部は、前記混合粉末を搬送する混合粉末供給路によって、前記吐出路に接続されていることを特徴とする付加製造装置である。
また、本発明は、複数種の粉末を、前記複数種の粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路を用いて、間隙空間まで圧送する工程と、圧送された前記複数種の粉末を、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和よりも大きい断面積を有する前記空隙空間に噴出させて混合し、混合粉末を得る工程と、前記混合粉末を、前記間隙空間の下流側に設けられた吐出口から混合粉末供給路に吐出する工程と、前記吐出口から吐出された前記混合粉末を、前記混合粉末供給路に接続された前記ヘッド部まで圧送する工程と、前記ヘッド部まで圧送された前記混合粉末を、造形箇所に向けて吐出し、溶融、凝固させる工程と、を有することを特徴とする付加製造方法である。
本発明によれば、複数種の粉末を所望の混合比で精確かつ迅速に混合できる、混合粉末製造方法および混合粉末製造装置と、付加製造装置および付加製造方法を提供することができる。
本発明の実施形態における、混合粉末製造装置を備えた付加製造装置の概略図である。 本発明の実施形態における、混合粉末製造装置の模式図および部分断面図である。 本発明の実施形態における、混合粉末製造装置上部を拡大した斜視図である。 本発明の実施形態における、間隙空間の形状例（ａ）～（ｆ）を示す模式図である。 本発明の実施形態における、分割したブロックで構成した混合室の模式図を示す図である。 本発明の実施形態における、圧力補充口の模式図である。 本発明の実施形態における、間隙空間内で混合するまでの粉末の流れの模式図である。 実施例の混合粉末製造装置による合計吐出量の推移である。 比較例の混合粉末製造装置による合計吐出量の推移である。
以下、本発明に係る付加製造装置と混合粉末製造装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。その後、混合粉末製造方法と共に付加製造方法を説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
（第１実施形態）
＜付加製造装置＞
図１は、混合粉末製造装置１００を備えた付加製造装置１０の概略図を示したものである。
付加製造装置１０は、原料となる複数種の原料粉末（以下、単に粉末４０ともいう）４０毎に設けられた、複数の粉末供給装置１１と、混合粉末製造装置１００と、粉末供給装置１１と混合粉末製造装置１００を繋ぐ粉末供給路１２と、混合粉末４１を吐出しながら熱源ビーム１５を照射するヘッド部１４と、ヘッド部１４と混合粉末製造装置１００とを繋ぐ混合粉末供給路１３と、で構成されている。なお、本実施形態では、ヘッド部１４を備えたメタルデポジション方式を用いた場合について説明したが、パウダーベット方式を用いても良い。
パウダーベット方式を用いる場合には、例えば、ヘッド部１４を用いて混合粉末４１を吐出せず、あらかじめ、混合粉末製造装置１００で作製した混合粉末４１を、所定の範囲（ベッド）に堆積した後、ヘッド部１４から熱源ビーム１５を堆積層に照射し、溶融・凝固を伴う凝固層を形成する。この操作を繰り返して付加製造していけばよい。
［粉末］
原料となる粉末４０について、材種などは特に制限されない。粉末４０の粒径は、平均粒径（Ｄ５０）が０．１～１００μｍ程度であると、選定できる粉末供給装置１１の選択肢を多くすることができる。ここで、メタルデポジッション方式では、レーザー回折法によって求められる、粒子径と小粒子径側からの体積積算との関係を示す積算分布曲線において、平均粒径（Ｄ５０）が３０～２５０μｍ、より好ましくは６０μｍ～１５０μｍ程度である。
［粉末供給装置］
粉末供給装置１１は、混合したい粉末４０の数に応じて設置することができ、それぞれに粉末４０が収納されている。粉末供給装置１１毎に粉末供給路１２によって混合粉末製造装置１００と接続されており、粉末４０毎に予め設定された供給量を混合粉末製造装置１００まで圧送する装置である。
粉末４０の供給・制御方法は、特に制限されないが、ディスクタイプを用いることができる。
ディスクタイプは、供給する粉末を、その粉末を収納している容器の下方に設けた回転板（皿）上の溝部などに落とし、その粉末を圧送流体（圧送ガス）で供給路に圧送する方式である。このような方式であれば、回転板の回転速度を制御することで、粉末の供給量を安定して制御しやすい。また、回転板の速度を変更すれば、粉末の供給量を変化させることできるため、付加製造中であっても混合比を迅速に変化させて、付加製造できる。圧送に用いる媒体としては、不活性ガスや圧縮空気などの圧送ガス２０を用いる。
図１への図示は省略するが、粉末供給路１２の圧力損失を補うために、粉末供給路１２の経路中に上記圧送流体を補充する圧送流体補充機構を設けることが好ましい。
［ヘッド部］
ヘッド部１４は、混合粉末製造装置１００と、混合粉末４１を圧送する混合粉末供給路１３によって繋がれている。ヘッド部１４は、外部の制御装置と接続されており、熱源ビーム１５の照射を行いながら混合粉末４１の吐出を行うものである。
＜混合粉末の製造装置＞
本発明に係る混合粉末製造装置１００について説明する。図２～図４は混合粉末製造装置の一例を示したものである。ここで、混合粉末製造装置１００は、粉末４０毎に設けられた複数の粉末供給路１２と、複数の粉末供給路１２が接続された混合室１１０と、混合粉末４１を吐出する吐出路１５０とから構成されている。粉末供給路１２は、材質は特に制限しないが、金属製や樹脂製の管路部材を用いることができる。耐圧性、耐摩耗性の観点からいえば、例えば、ステンレス製やエンジニアリングプラスチック製とすることができる。
混合室１１０は、容器１２０と、容器１２０の中に配置された、容器１２０の内壁１２１に対向する外壁を有する内挿部材１７０とを有し、容器１２０の内壁１２１と内挿部材１７０の外壁１７１との間に間隙空間１４０が形成されている。間隙空間１４０の上部には、複数の粉末供給路１２と繋がるそれぞれの開口部１３０を有する。一方、間隙空間１４０の下部には、間隙空間１４０の最小の断面積以下の断面積である吐出路１５０を有する。吐出路１５０は、吐出口１６０と繋がっている。ここで、本実施形態では、間隙空間１４０の上部の断面積が、複数の粉末供給路１２の断面積の総和よりも大きいことを特徴のひとつとするものである。なお、ここでいう断面積は、粉末４０が流れる方向、すなわち供給・吐出方向（鉛直方向）に垂直な断面における断面積である。
間隙空間１４０の上部の断面積が、複数の粉末供給路１２の断面積の総和（総和断面積）よりも大きいことで、粉末４０毎の供給量に差があっても、粉末４０が詰まることなく、間隙空間１４０内に噴出し、所望の混合比に混合できる。また、粉末供給路１２内に掛かる圧力に対して、間隙空間１４０内を負圧の状態に維持し、粉末４０を粉末供給路１２から開口部１３０を通じて間隙空間１４０に噴出（導入）するときに間隙空間１４０内に引き込むような流れを生じさせれば、粉末４０が詰まることなく間隙空間１４０内に噴出させることができる。
このようにすることで、複数種の粉末４０であっても、所望の混合比の混合粉末４１を精確かつ迅速に得ることに寄与している。
また、混合粉末４１を効率良く混合するためには、粉末４０が間隙空間１４０内を滞りなく流通できるように、粉末４０同士を互いの進行方向（対向方向）または進行方向に近い方向から衝突しないように噴出することが好ましい。具体的には、例えば、粉末４０が流れる方向、すなわち供給・吐出方向（鉛直方向）から見たときの間隙空間１４０の断面の概形が、円形状や多角形状の環状形状である間隙空間１４０とすることができる。
以下、図２～図４を用いて、本発明に係る第１実施形態の混合粉末製造装置１００の構成について、詳細に説明する。図２は、本発明に係る第１実施形態の混合粉末製造装置１００の模式図および部分断面図を示す図である。図２（ａ）は、混合粉末製造装置１００を、粉末４０が流入する方向、すなわち上面側から見たときの図であり、図２（ｂ）は、粉末４０の流入方向に対して垂直に見たときの中心位置での断面図であり、図２（ｃ）は、Ａ－Ａ断面から見たときの断面図であり、図２（ｄ）は、Ｂ－Ｂ断面から見たときの断面図である。
図３は、混合粉末製造装置１００の上部を拡大した斜視図であり、粉末供給路１２と、粉末供給路１２と接続する開口部１３０と、間隙空間１４０とが接続された状態を示す図である。図４は、間隙空間１４０の形状例（ａ）～（ｂ）を示す模式図である。
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、混合室１１０は、容器１２０と、容器１２０の中に配置された、容器１２０の内壁１２１に対向する外壁を有する内挿部材１７０と、容器１２０の内壁１２１と内挿部材１７０の外壁１７１との間に形成された間隙空間１４０と、間隙空間１４０の上部には、複数の粉末供給路１２と繋がるそれぞれの開口部１３０と、間隙空間１４０の下部には、吐出路１５０と繋がる吐出口１６０と、を備えている。以下、各構成について説明する。
［容器］
容器１２０は、耐圧性、耐摩耗性の点から、金属材料、樹脂材料、繊維強化樹脂材料等を用いることができる。このうち、ステンレス等の金属材料を好適に用いることができる。また、後述する間隙空間１４０内を流れる粉末４０が、吐出口１６０までスムーズな流れで圧送されるようにするため、容器１２０の内壁１２１の表面粗さは、小さいほど良い。具体的には、例えば、算術平均粗さＲａが、Ｒａ１２．５μｍ以下が好ましく、Ｒａ６．３μｍ以下がより好ましく、Ｒａ１．６μｍ以下がよりさらに好ましい。
［内挿部材］
内挿部材１７０の形状については後述するが、材質としては、耐圧性、耐摩耗性の点から、金属材料、樹脂材料、繊維強化樹脂材料等を用いることができる。また、容器１２０内を流通する粉末４０および混合粉末４１が、吐出口１６０までスムーズな流れで圧送されるようにするため遅延なく誘導されるように、容器１２０の内壁１２１の表面粗さが小さいほど良い。具体的には、例えば、算術平均粗さＲａが、Ｒａ１２．５μｍ以下が好ましく、Ｒａ６．３μｍ以下がより好ましく、Ｒａ１．６μｍ以下がよりさらに好ましい。
［開口部］
開口部１３０は、粉末供給路１２内を流通する粉末４０を混合室１１０内に導入させるための開口部である。開口部１３０は、容器１２０の上部と接続しており、粉末供給路１２の数と同等もしくはそれ以上に配していれば良い。開口部１３０の配置としては、例えば、図２および図３に示すように、複数の開口部１３０を回転対称的な位置に配置することができる。また、圧送ガス２０および粉末４０を流通させない開口部１３０については、開口部１３０を適宜封止すれば良い。
［間隙空間］
間隙空間１４０は、容器１２０内で容器１２０の内壁１２１と内挿部材１７０の外壁１７１との間に形成された空間であり、上部は、開口部１３０と繋がっており、下部は、吐出路１５０と繋がっている。また、図２および図３に示すように、間隙空間１４０は、複数種の粉末４０毎に設けた粉末供給路１２毎に接続している開口部１３０を通じて、複数種の粉末４０が一つの空間に導入される場所である。すなわち、間隙空間１４０は、混合空間とも言い換えることができる。
開口部１３０と接続する間隙空間１４０の上部の断面積は、粉末供給路１２の総和断面積よりも大きい断面積を有している。一方、吐出路１５０と接続する下部の断面積は、粉末供給路１２の総和断面積と同等か、それ以上の断面積とすればよい。なお、ここでいう「粉末供給路１２の総和断面積」とは、各粉末供給路の空洞部分の断面積の和を意味する。
上記のような特徴を有する間隙空間１４０であれば、粉末４０毎の供給量に差があっても、粉末４０が詰まることなく、間隙空間１４０内に導入、混合できるため、複数種の粉末４０であっても、所望の混合比の混合粉末を得ることができる。
このとき、圧送ガス２０による圧送で混合が行われるため、回転部材のような機械的な駆動力を必要としない。例えば、本実施形態の構成は、密度が５Ｍｇ／ｍ３以上（１．５倍以上）異なる粉末同士を混合する場合にも好適である。粉末供給路１２から間隙空間１４０を経て吐出路１５０に至る空間が連通した状態で、粉末４０は流動しながら混合されるので、均一性の高い混合を安定して実現することが可能である。
また、間隙空間１４０は、開口部１３０と接続する上部の断面積を最大の断面積とし、吐出路１５０と接続する下部の断面積が、最小の断面積となることが好ましい。また、その断面積変化が、滑らかに変化することが好ましい。例えば、間隙空間１４０の概形は、逆円錐状や逆多角錐状をなし、粉末４０の流れる方向に対して垂直視したときの間隙空間１４０の断面形状が、間隙空間１４０の上部から下部に向かって、滑らかに傾斜していることが好ましい。
また、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、粉末４０が流れる方向から見た間隙空間１４０の断面形状が、環状であることが好ましい。こうすることで、例えば、粉末４０の粒径や比重が異なっていても間隙空間１４０内で舞うことを抑制できる。また、粉末４０または混合粉末４１が間隙空間１４０内で詰まることなく吐出路１５０まで圧送できる。また、圧送ガス２０の乱流の発生を抑制できる効果等も期待できる。
間隙空間１４０は、容器１２０の内壁１２１と内挿部材１７０の外壁１７１とによって構成する。図４（ａ）～（ｃ）は、間隙空間１４０の形状を示した図である。
図４（ａ）～（ｃ）は、間隙空間１４０の形状が、逆円錐状である場合を示しており、その円錐の中心軸の頂点から円錐の底辺に向かって拡径する際の角度αを変化させたものを例示している。具体的な角度としては、０°超～９０°未満であれば良いが、断面積の変化を緩やかにするためにも、１５°～６０°程度が好ましい。そのようにすることで、粉末４０が間隙空間１４０内で合流する際に遅延なく、吐出口１６０に向かって流通することができる。なお、（ａ）は、頂角が６０°の場合、（ｂ）は頂角が０を超えて、６０°未満（＜６０°）の場合、（ｃ）は頂角が６０°を超えて、９０°未満（６０°＜９０°）の場合をそれぞれ示している。
ここで、図４（ｂ）は、角度をより鋭角化し、かつ間隙空間１４０を粉末４０の流通方向に伸長することで、粉末４０が、間隙空間１４０内を滑り落ちながら流通できる。また、図４（ｃ）は、角度をより鈍角化し、かつ粉末４０の流通方向に短縮することで、粉末４０を圧送する圧送ガス２０の圧力損失を抑えることが期待でき、混合する粉末４０の数が少なく、低圧で圧送する場合に有効である。
なお、内挿部材１７０を用いない混合室１１０で混合することも可能である。こうすることで、内挿部材１７０を挿入しない分だけ、混合室１１０をさらに小型化できる。内挿部材１７０を用いたい場合、例えば、粉末４０を圧送する圧送ガス２０の流速（流量）を下げるなどして、粉末４０が舞い上がりにくくすればよい。
［吐出路］
吐出路１５０は、一端は間隙空間１４０に接続され、他端には、間隙空間１４０から圧送された混合粉末４１を吐出する吐出口１６０を備えている。なお、吐出口１６０は、混合粉末供給路１３と接続して、さらに下流に配された装置等に混合粉末４１を圧送する際の接続部としても用いることができる。
吐出路１５０の形状は、例えば、間隙空間１４０の最小の断面積に対して、等しい、またはそれ以下とすることができる。間隙空間１４０の最小の断面積以下とする場合には、間隙空間１４０の最小の断面積から急激に減少しないようにすることが好ましい。吐出口１６０の開口面積は、吐出路１５０の断面積以下とすることができる。また、吐出口１６０は、少なくとも１つ以上設ければよく、吐出路１５０を分岐させて、複数個設けることもできる。
（第２実施形態）
図４（ｄ）～（ｆ）は、容器１２０の内壁１２１と、内挿部材１７０とで構成される間隙空間１４０の別の形態である間隙空間２４０を示すものである。間隙空間２４０は、図４（ｄ）～（ｆ）に示すような、容器２２０の内壁２２１と、それに対向した形状を有する内挿部材２７０の外壁２７１とによって構成することができる。
図４に示すように、粉末４０の流通方向に対して、垂直視したときの断面が、図４（ｄ）に示すように容器２２０の内壁２２１面が空隙空間の外側に向かって凸であるもの、図４（ｅ）に示すように容器２２０の内壁２２１面が空隙空間の内側に向かって凸のもの、図４（ｆ）に示すように角度変化が複数あるもの等、逆円錐形状以外のものであっても良い。
（第３実施形態）
第１実施形態の混合室１１０と異なる形態の容器３２０を有する混合室３１０について説明する。本実施形態における混合室３１０は、分割したブロックを組み合わせることで構成した容器３２０を備える混合室３１０である。図５に、分割したブロックを組み合わせて構成した容器３２０を備える混合室３１０を示す。
容器３２０は、開口部１３０を備える上部ブロック３２１と、吐出口１６０とを備える下部ブロック３２２と、中間部ブロック３２３と、に分割されているものを接合するなどして、混合室３１０とすることもができる。より具体的には、例えば、上部ブロック３２１には、粉末供給路１２の一部をなす、厚さ方向に貫通する円柱状中空部３３１、下部ブロック３２２には、吐出路１５０を構成する、厚さ方向に貫通する円柱状中空部３３２を形成すればよい。中間ブロック３２３は、上部ブロックの円柱状中空部３３１および下部ブロックの円柱状中空部３３２と連通する、厚さ方向に貫通する漏斗状中空部３３３を備えていればよい。
このように、分割させることで、例えば、粉末４０の数や供給量を増加した場合、粉末の衝突や乱流化を避けるために間隙空間１４０の容量を大きくしたい場合がある。このような場合であっても、開口部１３０を備えた上部ブロック３２１と、中間部ブロック３２３と、の間にスペーサーを挿入して、間隙空間１４０の容積を容易に変更することができる。また、例えば、容器３２０の内壁３２１の傾斜が変わる位置を分割する位置とすれば、容器３２０の構成・組立が簡略化できる。
（第４実施形態）
（圧力補充機構）
図６に、別の本実施形態における混合粉末製造装置４００を示す。混合粉末製造装置４００は、吐出路１５０中に圧力補充機構４１０を備えている点で混合粉末製造装置１００と異なる。
圧力補充機構４１０は、間隙空間１４０から吐出路１５０に流れてきた混合粉末４１を、ヘッド部１４まで圧送する際に、混合粉末４１を圧送する圧送ガス２０の流量を増量制御するためのものである。
圧力補充機構４１０は、吐出路１５０と吐出口１６０との間、かつ吐出路１５０に対して垂直な方向に配することができる。圧力補充機構４１０は、圧送ガス２０を任意の流量分だけ吐出路１５０内に導入でき、導入した圧送ガスの流量によっては、間隙空間１４０内をより負圧することが期待できる。また、混合粉末４１をヘッド部１４まで、より一層滞りなく圧送することも期待できる。
（第５実施形態）
＜混合粉末の製造方法＞
次に、図７を用いて、複数種の粉末４０を混合して混合粉末４１を得る、混合粉末製造方法の一実施形態について説明する。
本実施形態は複数種の粉末を原料とする混合粉末製造方法であって、前記複数種の粉末を、前記複数種の粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路を用いて、間隙空間まで圧送する第１の工程と、圧送された前記複数種の粉末を、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和よりも大きい断面積を有する前記間隙空間に噴出させて混合し、混合粉末を得る第２の工程と、前記混合粉末を、前記間隙空間の下流側に設けられた吐出口から吐出する第３の工程と、を有することを特徴の一つとする混合粉末製造方法である。そのため、上述したように、混合粉末製造装置１００においては、複数の粉末供給路１２の断面積の総和（総和断面積）＜間隙空間１４０の上部断面積、の関係になるように構成している。
本実施形態の混合粉末製造方法であれば、粉末供給路１２内に掛かる圧力に対して、間隙空間１４０内が負圧の状態を維持することによって、粉末４０を粉末供給路１２から開口部１３０を通じて間隙空間１４０に導入するとき、間隙空間１４０内に引き込むような流れが生じることが期待できる。この引き込む流れによって、粉末４０毎の供給量に差があっても、粉末４０が詰まることなく、間隙空間１４０内に導入、混合できるため、複数種の粉末４０であっても、所望の混合比の混合粉末を精確かつ迅速に得ることができる。
圧送ガス２０による圧送で混合が行われるため、回転部材のような機械的な駆動力を必要としない。例えば、本実施形態の構成は、密度が５Ｍｇ／ｍ３以上（１．５倍以上）異なる粉末同士を混合する場合にも好適である。粉末供給路１２から間隙空間１４０を経て吐出路１５０に至る空間が連通した状態で、粉末４０は流動しながら混合されるので、均一性の高い混合を安定して実現することが可能である。以下、工程ごとに説明する。
（第１の工程）
第１の工程は、混合させる複数種の粉末４０を、粉末４０毎に設けられた複数の粉末供給路１２を用いて、間隙空間１４０まで圧送する工程である。
粉末４０を圧送する方法として、圧送ガス２０を用いることができる。圧送ガス２０は、例えば、圧縮空気や不活性ガスなどを用いることができるが、酸化防止が期待できる不活性ガス、具体的にはアルゴンガスや窒素ガスを用いることが好ましい。圧送用ガスの流量は、粉末供給装置１１によって適宜変更できる。
（第２の工程）
第２の工程は、間隙空間１４０に噴出した複数種の粉末４０を、間隙空間１４０内で混合する工程である。このとき、複数の粉末供給路１２の断面積の総和よりも大きい断面積を有する間隙空間１４０に噴出させることで、粉末が詰まることなく間隙空間１４０に噴出でき、均一性の高い混合粉末を得ることができる。粉末４０を間隙空間１４０に噴出するとき、上流（粉末供給路１２）よりも雰囲気圧力が低い間隙空間１４０に噴出させて混合することが好ましい。言い換えれば、間隙空間１４０の上流（粉末供給路１２）に掛かる圧力に対して、圧力が低い間隙空間１４０、すなわち負圧領域を有する間隙空間１４０に噴出させて混合するなどしてもよい。
複数の粉末供給路１２の断面積の総和と間隙空間１４０の断面積との関係は、具体的には、複数の粉末供給路１２の断面積の総和Ｓ１に対する間隙空間１４０の断面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）が１を超えていれば良く、好ましく２以上であり、より好ましくは２０以上であり、さらに好ましくは５０以上である。
また、吐出口１５０の開口部の面積（開口面積）Ｓ３に対する間隙空間１４０の断面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ３）は、１を超えていれば良く、好ましくは２以上であり、より好ましくは２０以上であり、さらに好ましくは５０以上である。また、複数の粉末供給路１２の断面積の総和Ｓ１と吐出口１５０の開口部の面積Ｓ３との比（Ｓ１／Ｓ３）は、好ましくは０．９以上であり、より好ましくは１．２以上である。
また、粉末４０が流れる方向から見たときの間隙空間１４０の断面が、環状であっても良い。間隙空間１４０が環状であると、間隙空間１４０内に噴出した粉末４０の舞いあがりを抑制する効果、複数種の粉末４０を、互いの進行方向（対向方向）または進行方向に近い方向からの衝突を抑制し、徐々に混ざり合うようにする効果が期待される。これによって、粉末４０が、間隙空間１４０内を滞りなく、流通することでき、効率良く混合粉末４１を製造できる。例えば、図７に示すように、粉末４０が間隙空間１４０内を吐出路１５０に向かって間隙空間１４０の形状に沿って流れる流れ５０や、粉末４０が間隙空間１４０内を吐出路１５０に向かって、広がりながら流れる流れ５１を形成できる。
（第３の工程）
第３の工程は、第２の工程で得た混合粉末４１を、間隙空間１４０の下流に設けた、吐出路１５０を通じて、吐出口１６０により吐出する工程である。吐出路１５０は、一端に吐出口１６０となる開口部１３０を備えている。また、吐出口１６０は、少なくとも１つ以上設ければよく、吐出路１５０を分岐させて、複数個設けることができる。
また、間隙空間１４０の断面積は、吐出口１５０に向かうにつれて徐々に減少してくことが好ましい。例えば、間隙空間１４０の形状が逆円錐状や逆多角錐状をなし、粉末４０の流れる方向に対して垂直視したときの間隙空間１４０の断面形状が、間隙空間１４０の上部から下部に向かって、滑らかに傾斜していることが好ましい。
（第７実施形態）
＜付加製造方法＞
次に、本実施形態の付加製造装置を用いて付加製造する付加製造方法を説明する。
本実施形態の付加製造装置を用いた付加製造方法は、複数種の粉末４０を、複数種の粉末４０毎に設けられた複数の粉末供給路１２を用いて、間隙空間１４０まで圧送する工程Ａと、圧送された複数種の粉末４０を、複数の粉末供給路１２の断面積の総和よりも大きい断面積を有する空隙空間１４０に噴出させて混合し、混合粉末４１を得る工程Ｂと、混合粉末４１を、間隙空間１４０の下流側に設けられた吐出口１６０から混合粉末供給路１３に吐出する工程Ｃと、吐出口１６０から吐出された混合粉末４１を、混合粉末供給路１３に接続されたヘッド部１４まで圧送するＤ工程と、ヘッド部１４まで圧送された混合粉末４１を、造形箇所３０に向けて吐出し、溶融、凝固させるＥ工程と、を有することを特徴の一つとするものである。
そして、本実施形態の付加製造装置を用いて付加製造する付加製造方法であれば、複数種の粉末を所望の混合比で精確かつ迅速に混合しながら、付加製造することができる。
付加製造の方式は、特に限定されないが、例えば、レーザーメタルデポジションなどの指向性エネルギー堆積方式、パウダーベット方式（粉末床溶融結合方式）、プラズマ粉体肉盛等を用いることができる。また、混合粉末４１を溶融させるための熱源は、熱源ビーム１５を用いることができ、例えば、レーザービーム、電子ビーム、プラズマおよびアーク等を用いることができる。
（実施例）
以下に、実施例を詳細に説明する。本実施例では、混合粉末製造装置１００として以下を用いた。粉末供給装置は、日本電子社製ＴＰ－Ｚ１８０１１１ＶＥＦＤＲを２基、ＧＴＶ社製ＰＦ２／２を２基、合計４基を使用して４種類の原料粉末（粉末Ａ、粉末Ｂ、粉末Ｃ、粉末Ｄ）を混合するようにした。圧送ガスの総流量は、６．０Ｌとなるようにし、４基の粉末供給装置毎に、原料粉末の供給量、圧送ガスの流量を設定した。
混合粉末製造装置は、粉末供給路には、内径２．５ｍｍと内径４ｍｍの樹脂製チューブを用い、内挿部材には、逆円錐形の頂角が６０°、外壁の表面が算術平均粗さＲａ１．６μｍ以下の部材を用いた。
混合室は、逆円錐状の内挿部材に対向する逆円錐状の内壁を備えており、内径２．０ｍｍの開口部を４か所備えた上部ブロックと、直径６．０ｍｍの吐出口を備えた下部ブロックと、上記開口部から上記吐出口までを繋ぐ中間ブロックと、を連結して構成した。図５に示したように、上部ブロックには、粉末供給路の一部をなす、厚さ方向に貫通する円柱状中空部、下部ブロックには、吐出路を構成する、厚さ方向に貫通する円柱状中空部が形成されている。中間ブロックは、上部ブロックの円柱状中空部および下部ブロックの円柱状中空部と連通する、厚さ方向に貫通する漏斗状中空部を備える。なお、各ブロックともに、材質をステンレス（ＳＵＳ３０３）、原料粉末が接する面の算術平均粗さＲａ１．６μｍ以下とした。
本実施例に用いた、容器の内壁と内挿部材の外壁とで形成した間隙空間について、間隙空間の上端が最大の断面積を有し、その断面積Ｓ２は３６４ｍｍ２であった。一方、粉末供給路の断面積の総和（総和断面積）Ｓ１は、（２．５／２）２×π×２（口数）＋（４／２）２×π×２（口数）＝３５．０ｍｍ２、吐出口の開口面積Ｓ３は２８．３ｍｍ２、と算出できた。すなわち、粉末供給路の断面積の総和Ｓ１と間隙空間の断面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）は、１０となり、吐出口の開口部の面積（開口面積）Ｓ３と間隙空間の断面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ３）は、１３であることを確認した。また、吐出口１５０の開口面積Ｓ３と複数の粉末供給路１２の断面積の総和Ｓ１との比（Ｓ１／Ｓ３）は、１．２であった。
（原料粉末とその供給条件）
本実施例では、表１に示す４種類の原料粉末（以下、粉末Ａ～Ｄ）を用意した。
（実施例１）
粉末Ａ～Ｄ毎に用意した粉末供給装置にて、粉末Ａ～Ｄの供給量をそれぞれ設定した。それぞれの供給量は、粉末Ａを６．３ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｂを１．２ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｃを２．４ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｄを６．０ｇ／ｍｉｎとした（粉末Ａ～Ｄの合計供給量：１５．９ｇ／ｍｉｎ）。圧送ガスには、アルゴンガスを使用した。アルゴンガスの供給圧は０．４ＭＰａ（ゲージ圧）一定とし、圧送ガス（アルゴンガス）の流量は、粉末ＡおよびＢが、２．０Ｌ／ｍｉｎとし、粉末Ｃおよび粉末Ｄが０．３Ｌ／ｍｉｎ、となるよう設定した。
（実施例２～４）
加えて実施例２～４として、圧送ガスの種類、圧送ガスの供給圧および圧送ガスの流量を、実施例１と同一条件のままとして、粉末Ａ～Ｄの供給量を変更した場合を実施した。実施例２は、粉末Ａ～Ｄの供給量を、粉末Ａ：６．３ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｂ：１．２ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｃ：１．０ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｄ：３．５ｇ／ｍｉｎとし、合計１２．０ｇ／ｍｉｎとした。実施例３は、粉末Ａ～Ｄの供給量を、粉末Ａ：１．３ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｂ：４．２ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｃ：４．５ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｄ：６．０ｇ／ｍｉｎとし、合計１６．０ｇ／ｍｉｎとした実施例４は、粉末Ａ～Ｄの供給量を、粉末Ａ：１．３ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｂ：４．２ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｃ：３．６ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｄ：３．５ｇ／ｍｉｎとし、合計１２．６ｇ／ｍｉｎとした。以上、実施例１～４の条件を表２に示す。
（比較例１）
また、比較例として、ＳＭＣ社製ワンタッチ管継手ＫＱ２シリーズ異径ダブルユニオンワイ（型式：ＫＱ２Ｕ０４－０６Ａ）を用いて、２種類の粉末Ｃと粉末Ｄを混合した。このときの断面積の関係は、粉末供給路の総和の断面積Ｓ１が４π（ｍｍ２）×２（口）＝２５．１ｍｍ２、合流部の断面積Ｓ２が７．１ｍｍ２とし、吐出口の開口部の面積（開口面積）Ｓ３が２８．３ｍｍ２であるものとした。すなわち、粉末供給路の総和の断面積Ｓ１と合流部の断面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）は０．２８、吐出口の開口面積Ｓ３と合流部の断面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ３）は０．２５とした。また、吐出口１５０の開口面積Ｓ３と複数の粉末供給路１２の断面積の総和Ｓ１との比（Ｓ１／Ｓ３）は、０．８９とした。
粉末Ｃの供給量は、２．５ｇ／ｍｉｎ、粉末Ｄの供給量は７．０ｇ／ｍｉｎとし、合計供給量を９．５ｇ／ｍｉｎとした。圧送ガスには、アルゴンガスを使用し、供給圧は０．４ＭＰａ（ゲージ圧）一定とし、アルゴンガスの流量は、粉末Ｃを５．７Ｌ／ｍｉｎとし、粉末Ｄを０．３Ｌ／ｍｉｎとなるよう設定した。以上、比較例の条件を表３に示す。
（吐出量の評価方法）
本実施例では、各粉末を混合して得た混合粉末をヘッド部から吐出し、その混合粉末の量（以下、合計吐出量）を測定、評価した。実施例１～４について、具体的には、粉末Ａ～Ｄを、混合粉末製造装置に供給し、ヘッド部から吐出した。より具体的には、粉末Ａ～Ｄを混合粉末供給装置から混合粉末製造装置までアルゴンガスで圧送後、混合粉末製造装置内で混合して混合粉末とし、その混合粉末をヘッド部まで圧送し、ヘッド部の下方に設けた、計測用容器に向けて混合粉末を吐出した。
合計吐出量は、計測用容器下に設けた計測機（電子天秤）にて、計測用容器の重量変化を計測した。計測周期は、約０．２５ｓとし、１００秒間の平均値を計測した。結果を表２に示す。また、さらに、その計測した重量変化を差分し、この差分した値から１分間あたりの供給量（ｇ／ｍｉｎ）になるように換算値を求め、縦軸に合計吐出量（ｇ／ｍｉｎ）、横軸を経過時間（ｓ）として評価した。また、比較例についても同様に測定し評価した。
（結果）
表２に、実施例ごとの合計吐出量の測定結果を示し、表３に比較例１の測定結果を示す。また、図８に、実施例１における各粉末の合計噴出量のサンプリング周期毎の経時変化を示し、図９に、比較例１における粉末の噴出量のサンプリング周期毎の経時変化を示す。
実施例１～４では、表２および図８に示すように、定常状態（６０ｓ以降）の１００ｓ間の平均値と狙い値との差は、最大でも０．６ｇであることからも、高い精度で混合できていることが確認できた。また、定常状態（６０ｓ以降）での供給量の変化も供給量の１０％以内に収まっており、長期的に稼働させる場合においても、所望の混合比を持つ、混合粉末を得ることができた。
また、粉末毎のアルゴンガスの流量を実施例１と同一条件としたまま、粉末Ａ～Ｄの混合比を変化させた実施例２～４の場合においても、合計吐出量の平均値は、各供給量の合計値（狙い値）の近傍であること、すなわち、粉末の性質（比重など）の違いによる影響も受けず、所望の混合比を持つ、混合粉末を得られることが確認できた。具体的には、密度が５Ｍｇ／ｍ３以上（１．５倍以上）異なる粉末を安定に混合できる点が確認できた。
一方、比較例１では、表３および図９に示すように、合計吐出量が安定することはなく、合計吐出量の１００ｓ間の平均値は、算出できなかった。また、徐々に噴出量が減少する結果を得た。
１０：付加製造装置
１１：粉末供給装置
１２：粉末供給路
１３：混合粉末供給路
１４：ヘッド部
１５：熱源ビーム
２０：圧送ガス
３０：造形箇所
４０：粉末
４１：混合粉末
５０：流れ
５１：流れ
１００：混合粉末の製造装置
１１０：混合室
１２０：容器
１２１：内壁
１３０：開口部
１４０：間隙空間
１５０：吐出路
１６０：吐出口
１７０：内挿部材
１７１：外壁
２２０：容器
２２１：内壁
２４０：間隙空間
２７０：内挿部材
２７１：外壁
３１０：混合室
３２０：容器
３２１：上部ブロック
３２２：下部ブロック
３２３：中間部ブロック
３３１：円柱状中空部
３３２：円柱状中空部
３３３：漏斗状中空部
４００：混合粉末製造装置
４１０：圧力補充機構

Claims (5)

  1. 複数種の粉末を原料とする混合粉末の製造方法であって、
    前記複数種の粉末を、前記複数種の粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路を用いて、間隙空間まで圧送する第１の工程と、
    圧送された前記複数種の粉末を、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和よりも大きい断面積を有する前記間隙空間に噴出させて混合し、混合粉末を得る第２の工程と、
    前記混合粉末を、前記間隙空間の下流側に設けられた吐出口から吐出する第３の工程と、を有する混合粉末の製造方法。
  2. 複数種の粉末を原料とする混合粉末の製造装置であって、
    前記粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路と、前記複数の原料粉末供給路が接続された混合室と、前記混合粉末を吐出する吐出口を備える吐出路と、を有し、
    前記混合室は、
    容器と、
    前記容器の中に配置された、前記容器の内壁に対向する外壁を有する内挿部材と、
    前記容器の内壁と前記内挿部材の外壁との間に形成された間隙空間と、
    前記間隙空間の上部に、前記複数の原料粉末供給路と繋がるそれぞれの開口部と、を備え、
    前記吐出路は、前記間隙空間の下部に接続され、
    前記間隙空間は、前記開口部と接続する、前記間隙空間の断面積が、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和よりも大きい
    ことを特徴とする混合粉末の製造装置。
  3. 前記容器の内壁の表面粗さは、算術平均粗さＲａ１２．５μｍ以下であり、
    前記内挿部材の外壁の表面粗さは、算術平均粗さＲａ１２．５μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項２に記載の混合粉末の製造装置。
  4. 複数種の粉末を原料とする混合粉末を用いて付加製造するための付加製造装置であって、
    前記複数種の粉末毎に設けた、粉末供給装置と、
    前記複数種の粉末を混合して混合粉末を作製する、請求項２に記載の混合粉末の製造装置と、熱源ビームを造形箇所に向けて照射する、ヘッド部と、を備え、
    前記粉末供給装置は、前記粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路に接続され、
    前記ヘッド部は、前記混合粉末を搬送する混合粉末供給路によって、前記吐出路に接続されている
    ことを特徴とする付加製造装置。
  5. 複数種の粉末を、前記複数種の粉末毎に設けられた複数の原料粉末供給路を用いて、間隙空間まで圧送する工程と、
    圧送された前記複数種の粉末を、前記複数の原料粉末供給路の断面積の総和よりも大きい断面積を有する前記空隙空間に噴出させて混合し、混合粉末を得る工程と、
    前記混合粉末を、前記間隙空間の下流側に設けられた吐出口から混合粉末供給路に吐出する工程と、
    前記吐出口から吐出された前記混合粉末を、前記混合粉末供給路に接続された前記ヘッド部まで圧送する工程と、
    前記ヘッド部まで圧送された前記混合粉末を、造形箇所に向けて吐出し、溶融、凝固させる工程と、
    を有することを特徴とする付加製造方法。

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