JP2024025142A - 付加製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形物の表層側の硬さを向上させつつ、全体として造形物の強度を向上させることのできる付加製造装置を提供する。【解決手段】鉄系材料よりも硬質な粉末材料Ｐを供給する粉末材料供給装置１１０と、溶融ビームＭＢＭの照射により前記粉末材料Ｐを溶融して、前記鉄系材料からなる基材Ｂの表面に第一層を形成し、既に形成された前記第一層の表面に溶融ビームＭＢＭの照射により前記粉末材料Ｐを溶融して第二層を形成することにより、前記基材Ｂの表面に造形物を形成するビーム照射装置１２０と、を備え、前記第一層が形成されるときに前記ビーム照射装置１２０から加えられる入熱量よりも、前記第二層が形成されるときに前記ビーム照射装置１２０から加えられる入熱量が大きい、付加製造装置１００。【選択図】図１

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、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）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、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。

指向性エネルギー堆積方式のＬＭＤは、例えば硬質材を含む粉末材料等を噴射しながら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、部分的に耐摩耗性や強度を向上させるため、基材に対して硬質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。特許文献１には、基材に粉末材料からなる付加製造物を造形する技術が記載されている。

特開２０２２－５７０３９号公報

基材に対して硬質の付加製造物を付加する場合、基材の表面にビームが照射されることにより溶融池が形成され、この溶融池に、硬質材を含む粉末材料が加えられる。溶融池内で粉末材料が溶融した後に凝固することにより、基材の表面に第一層が形成される。第一層には、粉末材料に含まれる硬質材の他に、溶融池を構成する基材が混入する。このように、基材の表面に形成された第一層には基材が混入しているので、第一層を表層とした場合に当該表層の硬さが想定された値よりも低くなることが懸念される。

そこで、第一層の表面に、粉末材料からなる第二層をさらに形成することにより、基材の混入による影響を低減することが考えられる。

第一層の表面にさらに第二層を形成する場合、第一層の表面にビームが照射されることにより溶融池が形成され、溶融池に粉末材料が加えられる。粉末材料が凝固することにより第二層が形成される。第二層には、溶融池を構成する第一層が混入する。第一層には基材が混入しているが、第二層に混入する基材の割合は、第一層よりも小さくなっている。これにより、造形物において第一層よりも表層側に位置する第二層の硬さを向上させることができると期待される。

しかし、基材に溶融池を形成させるための溶融条件と、第一層に溶融池を形成させるための溶融条件とは異なるので、第一層と同じ条件で第二層を形成すると、第一層と第二層との境界部分の溶け込み不良等により、第一層と第二層との間の接合強度が低下して、全体として造形物の強度が不足する恐れがある。この結果、全体として造形物の強度が低下することが懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、造形物の表層側の硬さを向上させつつ、全体として造形物の強度を向上させることのできる付加製造装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
鉄系材料よりも硬質な粉末材料を供給する粉末材料供給装置と、
ビームの照射により前記粉末材料を溶融して、前記鉄系材料からなる基材の表面に第一層を形成し、既に形成された前記第一層の表面にビームの照射により前記粉末材料を溶融して第二層を形成することにより、前記基材の表面に造形物を形成するビーム照射装置と、
を備え、
前記第一層が形成されるときに前記ビーム照射装置から加えられる入熱量よりも、前記第二層が形成されるときに前記ビーム照射装置から加えられる入熱量が大きい、付加製造装置にある。

本発明の一態様によれば、第一層のビードへの基材の混入量よりも、第二層のビードへの基材の混入量は少なくすることができるので、第一層のビードよりも第二層のビードの硬さを向上させることができる。この結果、造形物の硬さを全体として向上させることができる。

また、本発明の一態様によれば、第一層のビードが形成されるときにビーム照射装置から加えられる入熱量よりも、第二層のビードが形成されるときにビーム照射装置から加えられる入熱量を大きくすることができる。これにより、第二層のビードが形成されるときに粉末材料を適切に溶融させることができるので、第一層のビードと第二層のビードとの接合強度を向上させることができる。この結果、造形物の強度を全体として向上させることができる。

以上のごとく、上記の態様によれば、造形物の表層側の硬さを向上させつつ、全体として造形物の強度を向上させることのできる付加製造装置を提供することができる。

実施形態１の付加製造装置を示す模式図である。 実施形態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。 実施形態１の付加製造装置における溶融ビームの溶融ビーム照射範囲と補助ビームの補助ビーム照射範囲とを説明するための図である。 実施形態１の付加製造装置において基材に付加製造物を造形する場合のビームパワー密度とビーム照射範囲との関係を示すビームプロファイルである。 実施形態１の付加製造装置による第一層のビードを造形する際の途中状態を示す平面図である。 実施形態１の付加製造装置による第二層のビードを造形する際の途中状態を示す断面図である。 実施形態１の付加製造装置において、基材に加えられる入熱量を示す模式図である。 実施形態２の付加製造装置による第二層のビードを造形する際の途中状態を示す平面図である。 実施形態３の付加製造装置による第二層のビードを造形する際の途中状態を示す平面図である。 実施形態３の付加製造装置において、基材に加えられる入熱量を示す模式図である。 実施形態４の付加製造装置による第三層のビードを造形する際の途中状態を示す平面図である。 実施形態４の付加製造装置による第三層のビードを造形する際の途中状態を示す断面図である。

（実施形態１）
１．付加製造装置の概要
本形態の付加製造装置は、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。この付加製造装置は、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造形する。粉末材料、特に、硬質粉末材料と基材は、異なる材料である。また、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。

ここでは、硬質材の一例である炭化タングステン（ＷＣ）の硬質粉末材料等を用いて造形される硬質の付加製造物を、鉄系材料の一例である炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用いて形成された基材に造形する場合について説明する。ただし、硬質材は、基材よりも硬質な材料であればよく、例えばハイスピード鋼等、任意の材料を選択できる。また、鉄系材料は炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に限られず任意の鉄系材料を選択できる。

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、超硬バインダはコバルト（Ｃｏ）に限られず、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を超硬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、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の基本的な構成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「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、造形物Ｗ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、不活性ガスであればアルゴン等でも良い。

ビーム照射装置１２０は、溶融ビーム照射装置１２１と、補助ビーム照射装置１２２と、溶融ビーム照射装置１２１及び補助ビーム照射装置１２２の各々を独立して相対移動させる移動装置１２３を主に備える。溶融ビーム照射装置１２１と補助ビーム照射装置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。

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

溶融ビーム照射部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ビームＭＢＭが照射可能となるように、容器１１５の傾斜部分の先端に配置される。そして、溶融ビーム照射部１２１ｂ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ビームＭＢＭを照射する。

溶融ビームＭＢＭは、基材Ｂを融点以上に加熱して溶融させることにより溶融池ＭＰを形成し、この溶融池において粉末材料供給装置１１０から供給される粉末材料Ｐを融点以上に加熱して溶融させる。尚、「加工ヘッド」は、噴射ノズル１１４、溶融ビーム照射装置１２１及び容器１１５を含んで構成されることにより、粉末材料Ｐと溶融ビームＭＢＭとは一体に移動する。

補助ビーム照射装置１２２は、補助ビーム生成部１２２ａにより生成され供給される補助ビームＡＢＭを基材Ｂの造形面Ｂ１に斜め上方から照射する補助ビーム照射部１２２ｂを備える。補助ビーム生成部１２２ａは、制御装置１３０によって制御されて、補助ビームＡＢＭを生成する。

補助ビーム照射部１２２ｂは、筒状の容器１２２ｃにおいて、基材Ｂに対向する先端に配置される。具体的に、補助ビーム照射部１２２ｂは、溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭの溶融ビーム照射範囲に重ねて補助ビームＡＢＭが照射可能となるように、容器１２２ｃの先端に配置される。そして、補助ビーム照射部１２２ｂ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補助ビームＡＢＭを照射する。

補助ビーム照射部１２２ｂは、形成された溶融池ＭＰに対し、溶融ビーム照射範囲の外側、つまり溶融ビーム照射装置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補助ビームＡＢＭを照射する。そして、補助ビームＡＢＭは、基材Ｂの造形面Ｂ１を融点未満に予熱（加熱）すると共に、溶融ビームＭＢＭによって形成された溶融池ＭＰが凝固した部分を融点未満に保温する。

移動装置１２３は、図１及び図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、溶融ビームＭＢＭの照射方向（即ち、溶融ビームＭＢＭの光軸）が直交する状態で、溶融ビーム照射装置１２１を相対変位させる。

第二ロボットアーム１２３ｂは、補助ビーム照射装置１２２を支持する。具体的に、第二ロボットアーム１２３ｂは、溶融ビームＭＢＭの照射方向（溶融ビームＭＢＭの光軸）に対して補助ビームＡＢＭの照射方向（補助ビームＡＢＭの光軸）が傾いた姿勢、換言すれば、造形面Ｂ１に対して補助ビームＡＢＭの照射方向（補助ビームＡＢＭの光軸）が傾いた姿勢で、補助ビーム照射装置１２２を支持する。そして、第二ロボットアーム１２３ｂは、補助ビーム照射装置１２２を、溶融ビーム照射装置１２１に追従させて、基材Ｂに対して相対変位させる。なお、ビームの照射系は固定し、移動装置１２３の代わりに基材Ｂを保持する移動可能なステージ等を備える構成としてもよい。また、移動装置１２３を無くし、ガルバノスキャナヘッド等の一つのレーザヘッドで溶融ビームＭＢＭと補助ビームＡＢＭの各径や各位置を独立制御する構成としてもよい。

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。

制御装置１３０は、ビーム照射装置１２０、即ち溶融ビーム照射装置１２１、補助ビーム照射装置１２２及び移動装置１２３のビーム照射を制御する。具体的に、制御装置１３０は、溶融ビーム照射装置１２１の溶融ビーム生成部１２１ａ及び補助ビーム照射装置１２２の補助ビーム生成部１２２ａの動作をそれぞれ制御する。つまり、制御装置１３０は、溶融ビーム照射装置１２１及び補助ビーム照射装置１２２の各々を独立して制御可能であり、図３に示す溶融ビーム照射範囲ＭＳと補助ビーム照射範囲ＡＳを連動させずに変化可能である。

そして、本例においては、図３に示すように、制御装置１３０は、溶融ビーム照射部１２１ｂから溶融ビーム照射範囲ＭＳが円形状の照射形状となる溶融ビームＭＢＭを照射する。また、補助ビーム照射部１２２ｂから補助ビーム照射範囲ＡＳが溶融ビーム照射範囲ＭＳの全部に重畳し且つ溶融ビーム照射範囲ＭＳの外側を囲う円形状の照射形状となる補助ビームＡＢＭを照射する。そして、制御装置１３０は、溶融ビーム照射範囲ＭＳの中心と補助ビーム照射範囲ＡＳの中心との同心を維持して、溶融ビームＭＢＭ及び補助ビームＡＢＭを走査方向ＳＤに走査する。ただし、溶融ビーム照射範囲ＭＳの中心と補助ビーム照射範囲ＡＳの中心とは同心でなくてもよい。

ここで、図３に示すように、本例では溶融ビーム照射範囲ＭＳが円形状であるので、当該溶融ビーム照射範囲ＭＳの大きさは、走査方向ＳＤに平行であって溶融ビーム照射範囲ＭＳの最長部分、すなわち溶融ビーム照射範囲ＭＳの中心を通る直線ＭＬと、溶融ビーム照射範囲ＭＳの外周との交点間の距離（溶融ビーム照射範囲ＭＳの直径（溶融ビーム照射径ＭＤ））で定義する。また、補助ビーム照射範囲ＡＳが円形状であって溶融ビーム照射範囲ＭＳの中心と補助ビーム照射範囲ＡＳの中心とが同心であるので、当該補助ビーム照射範囲ＡＳの大きさは、走査方向ＳＤに平行であって溶融ビーム照射範囲ＭＳの中心を通る直線ＭＬ（補助ビーム照射範囲ＡＳの中心を通る直線ＫＬ）と、補助ビーム照射範囲ＡＳの外周との交点間の距離（補助ビーム照射範囲ＡＳの直径（補助ビーム照射径ＡＤ））で定義する。

溶融ビーム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による造形物Ｗを造形する。また、補助ビームＡＢＭは、主として、基材Ｂの造形面Ｂ１を予熱し、また、基材Ｂの造形面Ｂ１に付加製造された造形物Ｗ（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ことにより保温する。

制御装置１３０は、溶融ビームＭＢＭ及び補助ビームＡＢＭ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、レーザ光照射範囲（溶融ビームＭＢＭの溶融ビーム照射範囲ＭＳ及び補助ビームＡＢＭの補助ビーム照射範囲ＡＳ）の各単位面積当たりのレーザ出力（光出力）であるパワー密度（溶融ビームＭＢＭの溶融ビームパワー密度及び補助ビームＡＢＭの補助ビームパワー密度）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。

制御装置１３０は、図４に示すように、溶融ビーム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、補助ビームＡＢＭのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークＡＢＰ１より増加させる制御を行う。溶融ビーム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。また、補助ビームＡＢＭのレーザ出力は、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を溶融させることがない所定の温度となるように制御される。

また、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、補助ビームＡＢＭを溶融ビームＭＢＭの軌跡に追従させる。この場合、制御装置１３０は、第二ロボットアーム１２３ｂを作動させることにより、補助ビームＡＢＭの補助ビーム照射範囲ＡＳの大きさや補助ビームＡＢＭの光軸の溶融ビームＭＢＭの光軸に対する角度等を制御することができる。

これにより、溶融ビームＭＢＭの溶融ビーム照射範囲ＭＳの大きさに対する補助ビームＡＢＭの補助ビーム照射範囲ＡＳの大きさが可変となるように、制御装置１３０は、溶融ビーム照射装置１２１に対する補助ビーム照射装置１２２の相対的な姿勢を制御することができる。

更に、制御装置１３０は、基材Ｂの造形面Ｂ１に対する溶融ビームＭＢＭ及び補助ビームＡＢＭ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ビームＭＢＭ及び補助ビームＡＢＭ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、溶融ビーム照射装置１２１及び補助ビーム照射装置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。

更に、制御装置１３０は、撮像装置１４０と接続される。撮像装置１４０は、溶融ビーム照射装置１２１に組み付けられており、基材Ｂの造形面Ｂ１に形成された造形物Ｗ（ビードＮ）の状態を撮像する。撮像装置１４０は、例えば、赤外線カメラやサーモグラフィ等を用いることができる。

３．付加製造方法
次に、付加製造装置１００による付加製造方法、具体的に、基材Ｂの表面に複数層のビードＮを形成する肉盛加工について、図３、図５～図７を参照して説明する。

まず、基材Ｂの表面に第一層のビードＮ１を形成する。図５に示すように、第一層のビードＮ１を形成するための溶融ビームＭＢＭ１を照射することにより、溶融ビーム照射範囲ＭＳにおいて、基材Ｂの造形面Ｂ１の一部を基材Ｂの融点以上に加熱して溶融させることで溶融池ＭＰを形成し、さらに溶融池ＭＰに供給された粉末材料Ｐを融点以上に加熱して溶融させる溶融処理を行う。

そして、図５に白抜きの矢線で示すように、溶融ビームＭＢＭ１を走査方向ＳＤに走査する（本例では、基材Ｂが回転することにより走査するが、図５では便宜上、溶融ビームＭＢＭ１を走査するものとして説明する。）ことで溶融池ＭＰを拡大させることにより、造形物Ｗ（ビードＮ１）を造形する。

ここで、本例の造形物Ｗ（ビードＮ１）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、第一層の造形物Ｗは、基材Ｂの周方向に沿って筋状に形成される複数のビードＮ１によって構成される（図１参照）。溶融ビーム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。これにより、基材Ｂの表面に第一層のビードＮ１が形成される。

第一層のビードＮ１においては、粉末材料Ｐに、溶融した基材Ｂの一部が混入した状態になっている。

次に、図３および図６に示すように、第二層のビードＮ２を、第一層のビードＮ１の表面に形成する。補助ビームＡＢＭを照射することにより、造形物Ｗ（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を行う。この予熱処理における補助ビームＡＢＭのレーザ出力は、第一層を構成する粉末材料Ｐの融点よりも低い温度に制御される。換言すると、補助ビームＡＢＭのレーザ出力は、第一層のビードＮ１が溶融せずに所定の温度となるように制御される。

続いて、図６に示すように、第二層のビードＮ２を形成するための溶融ビームＭＢＭ２を照射することにより、溶融ビーム照射範囲ＭＳにおいて、第一層のビードＮ１を融点以上に加熱して溶融させることで溶融池ＭＰを形成し、溶融池ＭＰに供給された粉末材料Ｐを溶融させる溶融処理を行う。また、この溶融処理においては、補助ビームＡＢＭの補助ビーム照射範囲ＡＳのうち、溶融ビームＭＢＭ２の走査方向ＳＤにて溶融ビームＭＢＭ２よりも前側の補助ビーム照射範囲ＡＳＦにて、補助ビームＡＢＭの一部により溶融池ＭＰの形成処理の前処理としての予熱処理を行う。上記の補助ビーム照射範囲ＡＳＦを照射する補助ビームＡＢＭが予熱ビームに相当する。

そして、図３および図６に白抜きの矢線で示すように、溶融ビームＭＢＭ２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、造形物Ｗ（ビードＮ２）を造形する。第二層のビードＮ２が形成されるときには、補助ビームＡＢＭによって基材Ｂが予熱されているので、第一層が形成されるときに加えられる入熱量よりも、第二層が形成されるときに加えられる入熱量が大きくなっている。なお、本形態における入熱量は、ビーム照射装置１２０によって加えられた単位時間当たりの熱量（Ｊ／ｓｅｃ）を、ビーム照射装置１２０の走査速度（ｃｍ／ｓｅｃ）で除した値（Ｊ／ｃｍ）である。

さらに、本形態においては、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度が大きく設定されている。これにより、第一層が形成されるときに加えられる入熱量よりも、第二層が形成されるときに加えられる入熱量が、さらに大きくなっている。

第二層のビードＮ２を形成するときの溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度は、第一層のビードＮ１を形成するときの溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度の、１．０５倍～１．１５倍であることが好ましい。第二層のビードＮ２を形成するときの溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度が、第一層のビードＮ１を形成するときの溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度の１．０５倍より小さいと、第一層のビードＮ１に空孔が形成される恐れがあり、第一層と第二層との接合強度が低下することが懸念される。また、第二層のビードＮ２を形成するときの溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度が、第一層のビードＮ１を形成するときの溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度の１．１５倍より大きいと、第一層のビードＮ１に加えられる入熱量が過多となるので、金属蒸発反張力による飛散金属量（スパッタ）が増加したり、第一層のビードＮ１が過剰に溶融して表面に凹凸が形成されたりすることにより、第二層のビードＮ２の品質が低下する恐れがある。

また、第一層のビードＮ１の造形時における溶融ビームＭＢＭ１の第一走査速度は、第二層のビードＮ２の造形時における溶融ビームＭＢＭ２の第二走査速度よりも大きく設定されている。これにより、第一層が形成されるときに加えられる入熱量よりも、第二層が形成されるときに加えられる入熱量が、さらに大きくなっている。

次いで、溶融ビームＭＢＭ２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。このため、補助ビームＡＢＭの補助ビーム照射範囲ＡＳのうち、溶融ビームＭＢＭ２の走査方向ＳＤにて溶融ビームＭＢＭ２よりも後側の補助ビーム照射範囲ＡＳＢにおいて、補助ビームＡＢＭの一部が溶融池ＭＰを照射する。これにより、補助ビームＡＢＭは、造形物Ｗの付加製造の後処理としての保温処理を行う。この保温処理により、第一層が形成されるときに加えられる入熱量よりも、第二層が形成されるときに加えられる入熱量が、さらに大きくなっている。また、第二層のビードＮ２が急冷されることが抑制されるようになっている。補助ビームＡＢＭによって、第二層のビードＮ２の冷却速度は、５４０℃／ｓｅｃ以下に制御されるようになっている。以上により、第二層のビードＮ２が、第一層のビードＮ１の表面に形成される。

図７に示すように、第一層のビードＮ１が形成されるときの溶融ビームＭＢＭ１から基材Ｂに加えられる入熱量よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときの溶融ビームＭＢＭ１および補助ビームＡＢＭから第一層のビードＮ１に加えられる入熱量は大きくなっている。詳細には、溶融ビームＭＢＭ２のピーク部分においては、溶融ビームＭＢＭ１と比べて、ビームパワー密度が大きいこと、走査速度が小さいこと、および補助ビームＡＢＭが照射されている分だけ底上げされていることから、第一層のビードＮ１に加えられる入熱量が大きくなっている。

４．本形態の作用効果
続いて、本形態の作用効果について説明する。本形態によれば、溶融ビームＭＢＭの照射により粉末材料Ｐを溶融して、鉄系材料からなる基材Ｂの表面に第一層のビードＮ１を形成し、既に形成された第一層のビードＮ１の表面に溶融ビームＭＢＭの照射により粉末材料Ｐを溶融して第二層のビードＮ２を形成することにより、基材Ｂの表面に造形物Ｗが形成される。これにより、第一層のビードＮ１への基材Ｂの混入量よりも、第二層のビードＮ２への基材Ｂの混入量は少なくすることができるので、第一層のビードＮ１よりも第二層のビードＮ２の硬さを向上させることができる。この結果、造形物Ｗの硬さを全体として向上させることができる。

また、本形態によれば、第二層のビードＮ２が形成されるときに補助ビーム照射装置１２２を用いることによって、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から加えられる入熱量よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１および補助ビーム照射装置１２２から加えられる入熱量を大きくすることができる。

さらに、本形態によれば、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度が大きい。これにより、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から加えられる入熱量よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１および補助ビーム照射装置１２２から加えられる入熱量を大きくすることができる。

上記のように、本形態によれば、第一層のビードＮ１が形成されるときにビーム照射装置１２０から加えられる入熱量よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときにビーム照射装置１２０から加えられる入熱量が大きいので、第二層のビードＮ２が形成されるときに第一層のビードＮ１を溶融させて溶融池ＭＰを形成し、溶融池ＭＰに供給された粉末材料Ｐを適切に溶融させることができる。これにより、第一層のビードＮ１と第二層のビードＮ２との接合強度を向上させることができる。この結果、造形物Ｗの強度を全体として向上させることができる。

さらに、本形態によれば、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１および補助ビーム照射装置１２２が走査される第一走査速度は、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１および補助ビーム照射装置１２２が走査される第二走査速度よりも大きく設定されている。このように本形態によれば、第二層のビードＮ２を形成するときの溶融ビーム照射装置１２１および補助ビーム照射装置１２２の走査速度は第一走査速度と比較して小さいので、既に形成された第一層のビードＮ１を溶融させやすくするとともに、粉末材料Ｐも、より溶融させやすくすることができる。これにより、第一層のビードＮ１と第二層のビードＮ２との接合強度をさらに向上させることができる。さらに、第二層のビードＮ２を形成するときの溶融ビーム照射装置１２１および補助ビーム照射装置１２２の走査速度が第一走査速度と比較して小さいので、形成された第二層のビードＮ２が急激に冷却されることを抑制できる。これにより、第二層のビードＮ２に割れ等の不具合が生じることが抑制される。この結果、第二層のビードＮ２の品質を向上させることができるので、全体として造形物Ｗの品質を向上させることができる。

さらに、本形態によれば、補助ビーム照射装置１２２は、走査方向ＳＤについて、溶融ビーム照射範囲ＭＳよりも走査方向ＳＤの後方の範囲を、融点より低い温度に加熱する構成とされている。これにより、第二層のビードＮ２が、急冷凝固による割れが発生することを抑制できる。これにより、造形物Ｗの品質を向上させることができる。

また、本形態によれば、粉末材料Ｐは超硬合金を主成分として含む。上記したように、粉末材料Ｐは、超硬バインダとしてコバルトを含む。コバルトの融点は基材Ｂを構成する鉄系材料の融点と同程度であり、また、硬質材である炭化タングステンの熱伝導率は基材Ｂよりも高い。このため、第一層のビードＮ１溶融させるために必要な入熱量を大きくする必要がある。本形態によれば、このような場合であっても、第一層のビードＮ１と第二層のビードＮ２との接合強度を向上させることができるので、造形物Ｗの強度を全体として向上させることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２について図８を参照しつつ説明する。図７に示すように、本形態においては、第二層のビードＮ２を形成するとき、補助ビーム照射装置１２２は、走査方向ＳＤについて溶融ビーム照射範囲ＭＳの前方の領域に、補助ビームＡＢＭを照射する。補助ビームＡＢＭの形状は、走査方向ＳＤと直交する方向を長軸とし、走査方向ＳＤを短軸とする楕円形状とされる。

補助ビーム照射範囲ＡＳの長軸方向の長さ寸法は、溶融ビーム照射範囲ＭＳの直径よりも長い形状とされている。これにより、溶融ビーム照射範囲ＭＳは、補助ビームＡＢＭにより確実に予熱されるようになっている。

上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

第二層のビードＮ２が形成されるときに補助ビーム照射装置１２２を用いることによって、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から加えられる入熱量よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１および補助ビーム照射装置１２２から加えられる入熱量を大きくすることができる。これにより、第一層のビードＮ１と第二層のビードＮ２との接合強度を向上させることができる。この結果、造形物Ｗの強度を全体として向上させることができる。

（実施形態３）
次に、実施形態３について図９および図１０を参照して説明する。図９に示すように、本形態においては、第二層のビードＮ２が形成されるときに、補助ビームＡＢＭが照射されない。

本形態においては、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度よりも、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度が大きく設定されている。これにより、図１０に示すように、第一層が形成されるときに溶融ビームＭＢＭ１から基材Ｂに加えられる入熱量よりも、第二層が形成されるときに溶融ビームＭＢＭ２から基材Ｂに加えられる入熱量が、さらに大きくなっている。

上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施形態４）
次に、実施形態４について図１１および図１２を参照しつつ説明する。図１２に示すように、本形態においては、第二層のビードＮ２の表面に、第三層のビードＮ３が形成される。

本形態においては、第一層のビードＮ１と、第二層のビードＮ２は、実施形態１と同様に形成される。

図１１に白抜きの矢線で示すように、溶融ビームＭＢＭ３を走査方向ＳＤに走査する。これにより、第三層のビードＮ３を、第二層のビードＮ２の表面に形成する。補助ビームＡＢＭを照射することにより、造形物Ｗ（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を行う。この予熱処理における補助ビームＡＢＭのレーザ出力は、第二層のビードＮ２が溶融せずに所定の温度となるように制御される。

続いて、図１２に示すように、第三層のビードＮ３を形成するための溶融ビームＭＢＭ３を照射することにより、溶融ビーム照射範囲ＭＳにおいて、第二層のビードＮ２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。また、この溶融処理においては、補助ビームＡＢＭの補助ビーム照射範囲ＡＳのうち、溶融ビームＭＢＭ３の走査方向ＳＤにて溶融ビームＭＢＭよりも前側の補助ビーム照射範囲ＡＳＦにて、補助ビームＡＢＭの一部により溶融池ＭＰの形成処理の前処理としての予熱処理を行う。

そして、第三層のビードＮ３の造形時と同様に、溶融ビームＭＢＭ３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、造形物Ｗ（ビードＮ）を造形する。

上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本形態においては、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度よりも、第三層のビードＮ３が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１から照射される溶融ビームＭＢＭ３のパワー密度が大きく設定されている。これにより、第二層が形成されるときに加えられる入熱量よりも、第三層が形成されるときに加えられる入熱量が、さらに大きくなっている。また、粉末材料Ｐを適切に溶融させることができるので、第二層のビードＮ２と第三層のビードＮ３との接合強度を向上させることができる。この結果、造形物Ｗの強度を全体として向上させることができる。

また、第二層のビードＮ２の造形時における溶融ビームＭＢＭ２の走査速度は、第三層のビードＮ３の造形時における溶融ビームＭＢＭ３の走査速度よりも大きく設定されている。これにより、第二層が形成されるときに加えられる入熱量よりも、第三層が形成されるときに加えられる入熱量が、さらに大きくなっている。

本形態によれば、第二層のビードＮ２の表面に第三層のビードＮ３を形成することにより、第三層のビードＮ３への基材Ｂの混入をさらに抑制することができる。これにより、第三層のビードＮ３の強度を向上させることができる。

また、第二層のビードＮ２が形成されるときにビーム照射装置１２０から加えられる入熱量よりも、第三層のビードＮ３が形成されるときにビーム照射装置１２０から加えられる入熱量が大きいので、粉末材料Ｐを適切に溶融させることができる。これにより、第二層のビードＮ２と第三層のビードＮ３との接合強度を向上させることができる。この結果、造形物Ｗの強度を全体として向上させることができる。

ビードＮが、第一層、第二層、さらに第三層と積層されるにしたがって、ビードＮからなる造形物Ｗの熱容量も増加する。すると、第二層のビードＮ２を溶融させるための熱量、および第三層のビードＮ３を形成するための熱量も増大する。また、ビードＮを構成する粉末材料Ｐの熱伝導率が高いため、溶融ビーム照射範囲ＭＳの温度が上がりにくくなる傾向となる。本形態においては、熱容量の増加および熱伝導率の上昇に対応して、第三層のビードＮ３が形成されるときにビーム照射装置１２０から加えられる入熱量も大きくなっているので、第二層のビードＮ２と第三層のビードＮ３との接合強度を向上させることができる。この結果、造形物Ｗの強度を全体として向上させることができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

実施形態１～４では、付加製造装置１００において、粉末材料供給装置１１０により、基材Ｂの造形面Ｂ１に対して硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２からなる粉末材料Ｐを噴射して供給するようにした。しかしながら、造形面Ｂ１への材料供給に関しては、粉末材料Ｐに限定されず、金属製の線形材料からなる、例えば、ワイヤ等を材料供給装置により供給することも可能である。

実施形態１～４においては、第二層を形成する溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度は、第一層を形成する溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度より大きいものとしたが、これに限られず、第二層を形成する溶融ビームＭＢＭ２のパワー密度は、第一層を形成する溶融ビームＭＢＭ１のパワー密度と同じであってもよい。

実施形態１～４においては、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１が走査される第一走査速度は、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１が走査される第二走査速度よりも大きく設定される構成としたが、これに限られず、第一層のビードＮ１が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１が走査される第一走査速度は、第二層のビードＮ２が形成されるときに溶融ビーム照射装置１２１が走査される第二走査速度と同じであってもよい。

実施形態４においては、第一層～第三層のビードＮ１～Ｎ３によって造形物Ｗが形成される構成としたが、これに限られず、四層以上のビードＮによって造形物Ｗが形成されてもよい。

１００…付加製造装置、１１０…粉末材料供給装置、１２０…ビーム照射装置、１２１…溶融ビーム照射装置、１２２…補助ビーム照射装置、Ｂ…基材、Ｂ１…造形面、Ｗ…造形物、Ｎ，Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３…ビード、ＭＰ…溶融池、ＡＢＭ…補助ビーム、ＭＢＭ、ＭＢＭ１，ＭＢＭ２，ＭＢＭ３…溶融ビーム、ＡＳ…補助ビーム照射範囲、ＭＳ…溶融ビーム照射範囲、Ｐ…粉末材料、ＳＤ…走査方向

Claims (9)

1. 鉄系材料よりも硬質な粉末材料を供給する粉末材料供給装置と、
   ビームの照射により前記粉末材料を溶融して、前記鉄系材料からなる基材の表面に第一層を形成し、既に形成された前記第一層の表面にビームの照射により前記粉末材料を溶融して第二層を形成することにより、前記基材の表面に造形物を形成するビーム照射装置と、
   を備え、
   前記第一層が形成されるときに前記ビーム照射装置から加えられる入熱量よりも、前記第二層が形成されるときに前記ビーム照射装置から加えられる入熱量が大きい、付加製造装置。
2. 前記第一層が形成されるときに前記ビーム照射装置から照射されるビームのパワー密度よりも、前記第二層が形成されるときに前記ビーム照射装置から照射されるビームのパワー密度が大きい、請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記ビーム照射装置は、
   前記基材に供給された前記粉末材料を前記粉末材料の融点より高い温度に加熱して溶融する溶融ビームを照射する溶融ビーム照射装置と、
   前記溶融ビームが走査される走査方向について、前記溶融ビームが照射される照射範囲である溶融ビーム照射範囲より前記走査方向の前方の範囲を、前記融点より低い温度に加熱する予熱ビームを照射する補助ビーム照射装置と、を備え、
   前記第一層は、前記溶融ビーム照射装置によって形成され、
   前記第二層は、前記溶融ビーム照射装置および前記補助ビーム照射装置によって形成される、請求項１に記載の付加製造装置。
4. 前記ビーム照射装置は、
   前記基材に供給された前記粉末材料を前記粉末材料の融点より高い温度に加熱して溶融する溶融ビームを照射する溶融ビーム照射装置と、
   前記溶融ビームが走査される走査方向について、前記溶融ビームが照射される照射範囲である溶融ビーム照射範囲より前記走査方向の前方の範囲を、前記融点より低い温度に加熱する予熱ビームを照射する補助ビーム照射装置と、を備え、
   前記第一層は、前記溶融ビーム照射装置によって形成され、
   前記第二層は、前記溶融ビーム照射装置および前記補助ビーム照射装置によって形成され、
   さらに、前記第一層が形成されるときに前記溶融ビーム照射装置から照射されるビームのパワー密度よりも、前記第二層が形成されるときに前記溶融ビーム照射装置から照射されるビームのパワー密度が大きい、請求項１に記載の付加製造装置。
5. 前記第一層が形成されるときに前記ビーム照射装置が走査される第一走査速度は、前記第二層が形成されるときに前記ビーム照射装置が走査される第二走査速度よりも大きく設定されている、請求項１に記載の付加製造装置。
6. 前記ビーム照射装置は、
   前記基材に供給された前記粉末材料を前記粉末材料の融点より高い温度に加熱して溶融する溶融ビームを照射する溶融ビーム照射装置と、
   前記溶融ビームが走査される走査方向について、前記溶融ビームが照射される照射範囲である溶融ビーム照射範囲より前記走査方向の前方の範囲を、前記融点より低い温度に加熱する予熱ビームを照射する補助ビーム照射装置と、を備え、
   前記補助ビーム照射装置は、さらに、
   前記走査方向について、前記溶融ビーム照射範囲よりも前記走査方向の後方の範囲を、前記融点より低い温度に加熱する構成とされており、
   前記第一層が形成されるときに前記溶融ビーム照射装置および前記補助ビーム照射装置が走査される第一走査速度は、前記第二層が形成されるときに前記溶融ビーム照射装置および前記補助ビーム照射装置が走査される第二走査速度よりも大きく設定されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の付加製造装置。
7. 前記ビーム照射装置は、既に形成された前記第二層の表面にビームの照射により前記粉末材料を溶融して第三層を形成することにより、前記基材の表面に造形物を形成する構成とされており、
   前記第二層が形成されるときに前記ビーム照射装置から加えられる入熱量よりも、前記第三層が形成されるときに前記ビーム照射装置から加えられる入熱量が大きい、請求項１に記載の付加製造装置。
8. 前記第二層が形成されるときに前記ビーム照射装置から照射されるビームのパワー密度よりも、前記第三層が形成されるときに前記ビーム照射装置から照射されるビームのパワー密度が大きい、請求項７に記載の付加製造装置。
9. 前記粉末材料は超硬合金を主成分として含む、請求項１に記載の付加製造装置。

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