JP6295001B1

JP6295001B1 - 積層造形装置および積層造形物の製造方法

Info

Publication number: JP6295001B1
Application number: JP2017165090A
Authority: JP
Inventors: 一朗新家; 計文南部; 敦司廣田
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: JP2019044210A

Abstract

【課題】造形物の残留応力を制御することで、造形物の変形を抑制可能な積層造形装置および積層造形物の製造方法を提供する。【解決手段】本発明によれば、造形領域を覆うチャンバと、前記造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、１層または複数層の前記固化層が新たに形成される毎に、前記固化層のうち少なくとも新たに形成された前記固化層である上面層を第１温度、第２温度、前記第１温度の順番で温度調整する温度調整装置と、を備え、前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる、Ｔ１≧Ｍｆ（１）Ｔ１＞Ｔ２（２）Ｔ２≦Ｍｓ（３）積層造形装置が提供される。【選択図】図１０

Description

本発明は、積層造形装置および積層造形物の製造方法に関する。

金属の積層造形には複数の方式があるが、例えばレーザ光による粉末焼結積層造形法または粉末溶融積層造形法では、不活性ガスが充満された密閉されたチャンバ内において、上下方向に移動可能な造形テーブル上に金属材料粉体からなる材料層を形成し、この材料層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の固化層を積層して所望の三次元造形物を造形する（特許文献１）。なお、造形テーブル上に造形プレートを配置し、造形プレート上に１層目の溶融層を形成してもよい。
また、シート積層法では、金属材料粉体の代わりに板状の金属シートを使用して材料層を形成し、材料層の所定箇所にレーザ光を照射して金属シートを焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の固化層を積層して所望の三次元造形物を造形する（特許文献２）。
なお、以上の方式において、固化層を形成するために、レーザ光に代えて電子ビームを用いてもよい（特許文献３）。

特許第５６５３６５７号公報特開２０１５−０９８１１１号公報特許第６０２６６８８号公報

しかし、材料層へのレーザ光または電子ビームの照射により形成された固化層は、固化直後は非常に高温であるが、不活性ガス雰囲気や、既に形成されている固化層および造形プレートへの放熱等により温度が急速に低下する。このとき、金属では熱膨張係数が正であるために体積が収縮する。しかし、隣接する溶融層や造形プレートとの密着により収縮量は制限されるため引張応力として残留する。これを繰り返すとその引張応力により造形物は変形し、時には割れが発生する。このような制約があるため、金属の積層造形法では造形物の大きさや形状、要求精度によって、所望の品質の造形物を得ることが困難であった。

一方、材料となる金属が炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼等のマルテンサイト系の材料であった場合、固化層として形成された直後はオーステナイト相であるが、所定の温度条件等を満たした上で急冷されることによってマルテンサイト相へと変態する。マルテンサイト変態は体積の膨張を伴うため、圧縮応力が発生する。

そこで、１層または複数層の固化層を形成する毎に意図的にマルテンサイト変態を進行させることで、金属の収縮による引張応力を、マルテンサイト変態による圧縮応力で軽減し、造形物の残留応力を制御することができる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形物の残留応力を制御することで、造形物の変形を抑制可能な積層造形装置および積層造形物の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、造形領域を覆うチャンバと、前記造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、１層または複数層の前記固化層が新たに形成される毎に、前記固化層のうち少なくとも新たに形成された前記固化層である上面層を第１温度、第２温度、前記第１温度の順番で温度調整する温度調整装置と、を備え、前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
積層造形装置が提供される。

本発明の他の側面によれば、造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成するリコート工程と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、１層または複数層の前記固化層が新たに形成される毎に、前記固化層のうち少なくとも新たに形成された前記固化層である上面層を第１温度、第２温度、前記第１温度の順番で温度調整する温度調整工程と、を備え、前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
積層造形物の製造方法が提供される。

本発明に係る積層造形装置は、１層または複数層の固化層が新たに形成される毎に該固化層、すなわち上面層の温度調整を行うものである。かかる構成によれば、造形物に生じる引張応力を軽減し、造形物の変形を抑制することが可能であり、造形物の大きさや形状の制約なく、高精度な造形物を造形可能となる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。
好ましくは、前記材料層は、第１の金属と、前記第１の金属よりも炭素含有量の高い第２の金属または炭素の少なくとも一方を含む混合材料からなる。
好ましくは、前記上面層の温度を測定する温度センサをさらに備え、前記温度調整装置は前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される。
好ましくは、前記固化層を切削する切削装置をさらに備え、前記切削装置は、前記温度調整装置が前記上面層を前記第１温度から前記第２温度に温度調整後、前記第２温度から前記第１温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う。
好ましくは、前記上面層の温度は、温度センサにより測定され、前記温度調整工程は、前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される。
好ましくは、前記固化層を切削する切削工程をさらに備え、前記切削工程は、前記上面層を前記第１温度から前記第２温度に温度調整後、前記第２温度から前記第１温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う。
好ましくは、下記式（４）および（５）の関係をさらに満たす。
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）
好ましくは、下記式（４）および（６）の関係をさらに満たす。
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
好ましくは、下記式（７）および（６）の関係をさらに満たす。
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
好ましくは、下記式（７）および（５）の関係をさらに満たす。
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）

本発明の実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。本発明の実施形態に係るレーザ照射装置１３の概略構成図である。本発明の実施形態に係る温度調整装置９０を備える造形テーブル５の一例の概略構成図である。本発明の他の実施形態の温度調整装置９５および温度センサ９９を備える積層造形装置の概略構成図である。本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の実施形態に係る温度調整のパターンＡの場合における上面層の温度変化の概略図である。本発明の実施形態に係る温度調整のパターンＢの場合における上面層の温度変化の概略図である。本発明の実施形態に係る温度調整のパターンＣの場合における上面層の温度変化の概略図である。本発明の実施形態に係る温度調整のパターンＤの場合における上面層の温度変化の概略図である。実施例による造形物のひずみについて測定した結果を三次元的に示す図である。実施例による造形物の図１４のｙ＝０におけるｘｚ平面上のひずみについて示す図である。比較例による造形物のひずみについて測定した結果を三次元的に示す図である。比較例による造形物の図１６のｙ＝０におけるｘｚ平面上のひずみについて示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、材料粉体からなる材料層８を形成し、この材料層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の固化層を積層して所望の三次元形状造形物を造形する積層造形装置である。なお、固化層とは焼結層および溶融層の総称である。図１に示すように、本発明の積層造形装置は、チャンバ１とレーザ照射装置１３とを有する。

チャンバ１は、所要の造形領域Ｒを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満される。チャンバ１には、内部に材料層形成装置３が設けられ、上面部に保護ウインドウ汚染防止装置１７が設けられる。材料層形成装置３は、ベース台４とリコータヘッド１１とを有する。

ベース台４は、積層造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒには、造形テーブル５が設けられる。造形テーブル５は、造形テーブル駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動することができる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、その上に材料層８が形成される。また、所定の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未固化の材料粉体が保持される。図１においては不図示であるが、粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部が設けられてもよい。かかる場合、積層造形の完了後に造形テーブル５を降下させることによって、未固化の材料粉体が粉体排出部から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。

リコータヘッド１１は、図２および図３に示すように、材料収容部１１ａと材料供給部１１ｂと材料排出部１１ｃとを有する。

材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。なお、材料排出部１１ｃは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状である。

また、リコータヘッド１１の両側面には、それぞれブレード１１ｆｂ、１１ｒｂが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料粉体を撒布する。換言するとブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料層８を形成する。

切削装置５０は、スピンドルヘッド６０が設けられた加工ヘッド５７を有する。加工ヘッド５７は、不図示の加工ヘッド駆動機構により、スピンドルヘッド６０を所望の位置に移動させる。

スピンドルヘッド６０は、不図示のエンドミル等の切削工具を取り付けて回転させることができるように構成されており、材料粉体を焼結または溶融して得られた固化層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。また切削工具は複数種類の切削工具であることが好ましく、使用する切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。

チャンバ１の上面には、保護ウインドウ１ａを覆うように保護ウインドウ汚染防止装置１７が設けられる。保護ウインドウ汚染防止装置１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じて保護ウインドウ汚染防止装置１７の下方に向かって噴出される。

照射装置として、レーザ照射装置１３が、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ照射装置１３は、造形領域Ｒ上に形成される材料層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結または溶融させる。具体的には、図４に示すように、レーザ照射装置１３は、レーザ光源４２と２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂとフォーカス制御ユニット４４とを有する。なお、各ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれガルバノミラー４３ａ、４３ｂを回転させるアクチュエータを備えている。

レーザ光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結または溶融可能なレーザであって、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。

フォーカス制御ユニット４４は、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光し所望のスポット径に調整する。２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御される。かかる特徴により、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂの各アクチュエータに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって、所望の位置にレーザ光Ｌを照射することができる。

ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを通過したレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられた保護ウインドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料層８に照射される。保護ウインドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光ＬがファイバーレーザまたはＹＡＧレーザの場合、保護ウインドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、１層または複数層の固化層が新たに形成される毎に、固化層のうち少なくとも新たに形成された固化層を第１温度、第２温度、第１温度の順番で温度調整する温度調整装置を有する。なお、第１温度および第２温度は温度調整装置によって調整可能な温度幅に含まれ、第１温度をＴ１、第２温度をＴ２、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる。
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
また、以下において、新たに形成された固化層、すなわち形成されてから第１温度、第２温度、第１温度の一連の順番で行われる温度調整が１度も実施されていない固化層を上面層と呼ぶ。焼結または溶融後、温度調整される前の上面層は、オーステナイト相を含む状態であって、温度調整により少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。

温度調整装置は、上面層を第１温度および第２温度に温度調整可能に構成されていればよい。特に、温度調整装置は上面層を加熱可能な加熱器と、上面層を冷却可能な冷却器のうち少なくともいずれか一方を有し、好ましくは両者を有する。

例えば、温度調整装置９０は、造形テーブル５に設けられる。図５に示すように、一実施形態においては、温度調整装置９０を備える造形テーブル５は、天板５ａおよび３つの支持板５ｂ，５ｃ，５ｄを備える。天板５ａとこれに隣接する支持板５ｂの間には天板５ａを加熱可能な加熱器９２が配置されている。また、支持板５ｂの下側の２枚の支持板５ｃ，５ｄの間には天板５ａを冷却可能な冷却器９３が配置されている。造形テーブル５は、加熱器９２および冷却器９３によって温度調整可能に構成されており、加熱器９２および冷却器９３が温度調整装置９０を構成する。なお、図５に示される実施形態では、管材を支持板５ｃ，５ｄの間に挟み込むようにして冷却器９３を構成しているが、例えば、支持板５ｃ，５ｄの一方または両方に配管穴を形成し支持板５ｃ，５ｄを合わせることによって支持板５ｃ，５ｄに直接冷却配管を形成するようにして冷却器９３を構成するようにすることができる。なお、造形テーブル駆動機構３１の熱変位を防止するため、温度調整装置９０と造形テーブル駆動機構３１との間に一定の温度に保たれた恒温部が設けられてもよい。以上のように温度調整装置９０を構成することで、所望の温度に設定された造形テーブル５の天板５ａと接触する造形プレート７および下層の固化層を介して、上面層を所望の温度に調整することが可能である。なお、材料層８は焼結または溶融にあたり所定温度に予熱されていることが望ましいが、温度調整装置９０は材料層８の予熱装置としての役割も果たす。具体的に、材料層８は温度調整装置９によって第１温度に保温される。

また、例えば、図６に示すように、積層造形装置は、上面層をその上方側から温度調整するように構成されている温度調整装置９５を備えるよう構成してもよい。温度調整装置９５の加熱器９７は、例えば、ハロゲンランプである。また、温度調整装置９５の冷却器９８は、例えば、上面層に対しチャンバ１に充満される不活性ガス等と同種の冷却気体を吹き付ける送風機であってもよいし、あるいはペルチェ素子等によって冷却された冷却板を上面層に接触させるよう構成してもよい。このような温度調整装置９５によれば、直接上面層を温度調整することができるため、多数層の固化層を形成した後でも迅速に上面層の温度調整を行うことができる。

前述の通り、温度調整装置は、上面層を第１温度および第２温度に温度調整可能に構成されればよく、種々の形態を採用可能である。上に具体的に示した温度調整装置９０，９５は組み合わせて実施してもよいし、一方のみでもよい。またはその他の形態であってもよい。

また、図６に示すように、積層造形装置は、上面層の温度を測定する温度センサ９９を有し、温度調整装置９０，９５はフィードバック制御されてもよい。かかる構成により、より正確に上面層の温度を制御することができる。なお、温度センサ９９は、複数設けてもよい。また、温度センサ９９は、例えば、赤外線温度センサである。

チャンバ１は所定濃度の不活性ガスが供給されるとともに、材料層８の焼結または溶融時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスを排出している。具体的には、チャンバ１には、不活性ガス供給装置１５と、ダクトボックス２１，２３を介してヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。不活性ガス供給装置１５は、チャンバ１に設けられた供給口から不活性ガスの供給を行い、チャンバ１を所定濃度の不活性ガスで充満させる。また、チャンバ１の排出口から排出されたヒュームを多く含む不活性ガスはヒュームコレクタ１９へと送られ、ヒュームが除去された上でチャンバ１へと返送される。なお、本明細書において、不活性ガスとは、材料粉体と実質的に反応しないガスをいい、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等から材料粉体の種類に応じて適当なものが選択される。

ここで、本発明の一実施形態に係る積層造形物の製造方法における各工程について図７〜図９を用いて説明する。なお、図７〜図９では、視認性を考慮し図１では示していた構成要素を一部省略している。また、以下において、造形領域Ｒに対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層８を形成する工程をリコート工程、材料層８の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する工程を固化工程、固化層のうち少なくとも上面層を第１温度、第２温度、第１温度の順番で温度調整する工程を温度調整工程と呼ぶ。

まず、１回目のリコート工程を行う。図７に示すように、造形テーブル５上に造形プレート７を載置し、造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を図７の矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、造形プレート７上に１層目の材料層８を形成する。

次に、１回目の固化工程を行う。材料層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射し材料層８のレーザ照射位置を焼結または溶融させることによって、図８に示すように、１層目の固化層８１ｆを得る。ここで、１層目の固化層８１ｆは、第１温度に温度調整される。

次に、２回目のリコート工程として、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の所定厚（１層）分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、固化層８１ｆ上に２層目の材料層８を形成する。

次に、２回目の固化工程として、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射し材料層８のレーザ照射位置を焼結または溶融させることによって、図９に示すように、２層目の固化層８２ｆを得る。ここで、２層目の固化層８２ｆは、第１温度に温度調整される。

以上の工程を繰り返すことによって、３層目以降の固化層が形成される。所定数の固化層が形成された段階で、温度調整装置によって温度調整工程が行われる。まず、第１温度に保持されている上面層を冷却し、第２温度へと温度調整する。次に、第２温度へと温度調整された上面層を昇温し、第１温度へと再び温度調整する。

なお、本実施形態のように切削装置５０を備える積層造形装置においては、所定数の固化層を形成する度に、固化層の端面に対して、スピンドルヘッド６０に装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施してもよい。切削工程は、例えば、固化層が０．４ｍｍから１ｍｍの所定厚積層する毎に行われる。好ましくは、第２温度に温度調整された上面層に対して切削加工が実施される。換言すれば、温度調整装置が上面層を第１温度から第２温度に温度調整してから第２温度から第１温度に温度調整するまでの間に、上面層を含む固化層の端面に対し切削を行う。マルテンサイト変態を起こし寸法が安定した後の上面層に対して切削を行うことができるので、より高精度に切削を行うことができる。また、焼結または溶融時に発生したスパッタが固化層の表面に付着し突起部が生成されることがあるが、リコート工程時にリコータヘッド１１が突起部に衝突したときは、突起部を除去するために最上位の固化層の上面に対して切削加工を行ってもよい。

このようなリコート工程、固化工程および温度調整工程と、好ましくは切削工程が繰り返され、所望の三次元造形物が形成される。なお、温度調整工程は固化層を１層形成する毎に実施してもよいし、複数層形成する毎に実施してもよいし、切削工程を実施する場合は切削工程毎に実施してもよい。また、造形物の形状に応じて温度調整工程の周期は可変に設定してもよい。例えば、通常時には固化層を５ｍｍ積層する毎に温度調整工程を行うが、割れやすい形状の固化層を形成する直前には温度調整工程を割り込ませるようにしてもよい。

以上のような温度調整工程により、固化層の冷却による収縮に起因する引張応力を軽減し、造形物の変形を抑制することが可能である。すなわち、マルテンサイト変態が生じる金属材料においては、マルテンサイト変態時に体積が膨張し、冷却時の体積収縮が緩和される。ここで、マルテンサイト変態開始温度以下かつマルテンサイト変態終了温度以上の範囲でマルテンサイト変態が起こる。

また、この変態量（＝膨張量）は、第１温度、第２温度、マルテンサイト変態終了温度、およびマルテンサイト変態開始温度の関係により制御することができる。すなわち、それらの温度関係によって造形物の残留応力を制御することができる。ここで、残留応力の制御方法の代表的な例として、４つの温度調整パターン（Ａ〜Ｄ）が挙げられる。なお、全ての固化層について同一のパターンを適用してもよいが、各固化層について異なるパターンを個別に適用してもよい。

＜パターンＡ＞
パターンＡでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第１温度、第２温度の両方が含まれない。すなわち、下記式（１）〜（５）をすべて満たす。また、パターンＡの上面層の温度変化の概略図を図１０に示す。
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）
パターンＡでは、温度調整装置による温度調整が可能な範囲で第１温度の上限および第２温度の下限に制限がなくなるため温度制御が容易となる。また、マルテンサイト変態が起こる温度帯の全ての範囲でマルテンサイト変態を起こすため再現性が高い。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量以下である材料に適する制御方法である。

＜パターンＢ＞
パターンＢでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第２温度のみ含まれる。すなわち、下記式（１）〜（４）、および（６）をすべて満たす。また、パターンＢの上面層の温度変化の概略図を図１１に示す。
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
パターンＢでは、レーザ光Ｌの照射による固化層の温度上昇の影響を考慮する必要がなく、残留応力を抑えた状態で造形を進行することができ、造形終了後に温度を下げることにより圧縮応力を発生させることができる。造形物に適度な圧縮応力を残留させることで、割れの発生を抑制できる。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。

＜パターンＣ＞
パターンＣでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第１温度、第２温度の両方が含まれる。すなわち、下記式（１）〜（３）、および（６）〜（７）をすべて満たす。また、パターンＣの上面層の温度変化の概略図を図１２に示す。
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
パターンＣでは、正確に温度制御ができる場合には、造形中および造形が完了して温度が下がった後の残留応力を制御することが可能である。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。

＜パターンＤ＞
パターンＤでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第１温度のみ含まれる。すなわち、下記式（１）〜（３）、（５）、および（７）をすべて満たす。また、パターンＤの上面層の温度変化の概略図を図１３に示す。
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）
パターンＤでは、レーザ光Ｌの照射による固化層の温度上昇の影響はあるものの、造形中の残留応力と造形完了後の残留応力とは略一致し管理が容易である。特に、前述のように、第２温度に温度調整された上面層に対して切削加工する切削工程を実施する場合は、より高精度に造形物を仕上げることができ好適である。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。

本発明の一実施形態の金属積層造形物の製造方法において使用可能な材料粉体は、マルテンサイト変態が生じる金属材料、例えば炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の粉体である。また、材料粉体の形状は、例えば平均粒径２０μｍの球形である。

また、前述の温度調整各パターンはそれぞれ適応可能な材料が限定される。例えば、前述のパターンＡの温度調整を行う場合は、温度調整装置による温度制御が可能な範囲に、少なくともマルテンサイト変態開始温度およびマルテンサイト変態終了温度が含まれている必要があるが、すべての材料がその条件を満たすわけではない。一方、マルテンサイト変態開始温度およびマルテンサイト変態終了温度は、材料の炭素含有量によってする上下することが分かっている。そこで、材料の炭素含有量を調整することで、本願発明のマルテンサイト変態を利用した造形方法を多様な材料に適応することができる。

材料の炭素含有量の調整方法として、例えば、複数の材料を混合してもよい。具体的には、ある金属に対し、相対的に炭素含有量の高い金属または炭素の少なくとも一方を混合することで、所望のマルテンサイト変態開始温度またはマルテンサイト変態終了温度を有する混合材料を生成してもよい。

本発明の実施形態に係る積層造形装置は粉末焼結積層造形方式または粉末溶融積層造形方式による積層造形装置であったが、シート積層方式による積層造形装置であってもよい。すなわち、材料粉体に代えて板状の金属シートを使用して材料層を形成し、材料層の所定箇所にレーザ光を照射して金属シートを溶融させることを繰り返すよう構成してもよい。また、本実施形態では固化層の形成のための照射装置としてレーザ光Ｌを照射するレーザ照射装置１３を使用したが、電子ビームを照射する電子ビーム照射装置を使用してもよい。

本発明の実施形態やその変形例を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

以下、詳細な内容について実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

材料粉体として、平均粒径２０μｍのＳＵＳ４２０Ｊ２（炭素含有量：＜０．４４ｗｔ％、Ｍｓ：約１００℃、Ｍｆ：約０℃）を用い、種々の温度条件において、１２５×１２５×１５ｍｍ（縦×横×厚さ）の造形プレート７上に、８０×８０×３５ｍｍ（縦×横×厚さ）の造形物の積層造形を行った。
＜実施例＞
まず、造形テーブル５の温度を温度調整装置９０により、７０℃に調整した。続いて、造形テーブル５上にリコータヘッド１１により材料粉体を均一に撒布して材料層８を形成するリコート工程と、材料層８の所定箇所にレーザ光Ｌを約４分照射して材料粉体を焼結する固化工程とを繰り返し、複数の固化層により形成される厚さ５ｍｍの上面層を形成した。その後約７０℃に保たれていた造形テーブル５の温度を２９℃まで降温した。上面層の温度が２９℃に降温後、造形テーブル５の温度を７０℃に昇温した。すなわち、上記パターンＤに相当する温度調整工程を行った。その後、同様の工程を６回繰り返し８０×８０×３５ｍｍ（縦×横×厚さ）の造形物を得た。得られた造形物について、造形プレート７の裏面（造形物が形成された面の反対の面）の反りの状態を測定することにより、残留応力の状態を確認した。その結果、図１４および図１５に示すように、残留応力が抑制された状態であった。

＜比較例＞
造形テーブル５の温度を２４℃で略一定に保ち、温度調整工程を行わずに、リコート工程と固化工程を繰り返し８０×８０×３５ｍｍ（縦×横×厚さ）の造形物を得た。実施例と同様に造形物の状態を確認した結果、図１６および図１７に示すように、ひずみが大きく、引張応力が大きい状態であった。なお、造形プレート７との境界に大きな割れが発生し、造形物に割れが確認された。

１：チャンバ
１ａ：保護ウインドウ
３：材料層形成装置
４：ベース台
５：造形テーブル
５ａ：天板
５ｂ：支持板
５ｃ：支持板
５ｄ：支持板
７：造形プレート
８：材料層
１１：リコータヘッド
１１ａ：材料収容部
１１ｂ：材料供給部
１１ｃ：材料排出部
１１ｆｂ：ブレード
１１ｒｂ：ブレード
１３：レーザ照射装置
１５：不活性ガス供給装置
１７：保護ウインドウ汚染防止装置
１７ａ：筐体
１７ｂ：開口部
１７ｃ：拡散部材
１７ｄ：不活性ガス供給空間
１７ｅ：細孔
１７ｆ：清浄室
１９：ヒュームコレクタ
２１：ダクトボックス
２３：ダクトボックス
２６：粉体保持壁
３１：造形テーブル駆動機構
４２：レーザ光源
４３ａ：ガルバノミラー
４３ｂ：ガルバノミラー
４４：フォーカス制御ユニット
５０：切削装置
５７：加工ヘッド
６０：スピンドルヘッド
８１ｆ：固化層
８２ｆ：固化層
９０：温度調整装置
９２：加熱器
９３：冷却器
９５：温度調整装置
９７：加熱器
９８：冷却器
９９：温度センサ
Ｌ：レーザ光
Ｒ：造形領域

Claims

造形領域を覆うチャンバと、
前記造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、
前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、
１層または複数層の前記固化層が新たに形成される毎に、前記固化層のうち少なくとも新たに形成された前記固化層である上面層を第１温度、第２温度、前記第１温度の順番で温度調整する温度調整装置と、を備え、
前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
積層造形装置。
前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる、請求項１に記載の積層造形装置。
前記材料層は、第１の金属と、前記第１の金属よりも炭素含有量の高い第２の金属または炭素の少なくとも一方を含む混合材料からなる、請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
前記上面層の温度を測定する温度センサをさらに備え、
前記温度調整装置は前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記固化層を切削する切削装置をさらに備え、
前記切削装置は、前記温度調整装置が前記上面層を前記第１温度から前記第２温度に温度調整後、前記第２温度から前記第１温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
下記式（４）および（５）の関係をさらに満たす、
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）
請求項１から請求項５に記載の積層造形装置。
下記式（４）および（６）の関係をさらに満たす、
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
請求項１から請求項５に記載の積層造形装置。
下記式（７）および（６）の関係をさらに満たす、
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
請求項１から請求項５に記載の積層造形装置。
下記式（７）および（５）の関係をさらに満たす、
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）
請求項１から請求項５に記載の積層造形装置。
造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成するリコート工程と、
前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、
１層または複数層の前記固化層が新たに形成される毎に、前記固化層のうち少なくとも新たに形成された前記固化層である上面層を第１温度、第２温度、前記第１温度の順番で温度調整する温度調整工程と、を備え、
前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる、
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
積層造形物の製造方法。
前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる、請求項１０に記載の積層造形物の製造方法。
前記材料層は、第１の金属と、前記第１の金属よりも炭素含有量の高い第２の金属または炭素の少なくとも一方を含む混合材料からなる、請求項１０または請求項１１に記載の積層造形物の製造方法。
前記上面層の温度は、温度センサにより測定され、
前記温度調整工程は、前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される、請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の積層造形物の製造方法。
前記固化層を切削する切削工程をさらに備え、
前記切削工程は、前記上面層を前記第１温度から前記第２温度に温度調整後、前記第２温度から前記第１温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う、請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の積層造形物の製造方法。
下記式（４）および（５）の関係をさらに満たす、
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）
請求項１０から請求項１４に記載の積層造形物の製造方法。
下記式（４）および（６）の関係をさらに満たす、
Ｔ１＞Ｍｓ（４）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
請求項１０から請求項１４に記載の積層造形物の製造方法。
下記式（７）および（６）の関係をさらに満たす、
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２≧Ｍｆ（６）
請求項１０から請求項１４に記載の積層造形物の製造方法。
下記式（７）および（５）の関係をさらに満たす、
Ｔ１≦Ｍｓ（７）
Ｔ２＜Ｍｆ（５）
請求項１０から請求項１４に記載の積層造形物の製造方法。