JP6749361B2 - 照射装置、金属造形装置、金属造形システム、照射方法、及び金属造形物の製造方法 - Google Patents

照射装置、金属造形装置、金属造形システム、照射方法、及び金属造形物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、金属造形に用いられる照射装置及び照射方法に関する。また、そのような照射装置を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システムに関する。また、そのような照射方法を含む金属造形物の製造方法に関する。
立体的な金属造形物を製造するための方法として、パウダーベッドを母材とする積層造形法が知られている。このような積層造形法には、（１）電子ビームを用いてパウダーベッドを溶融・凝固又は焼結させる電子ビーム方式と、（２）レーザビームを用いてパウダーベッドを溶融・凝固又は焼結させるレーザビーム方式と、がある（非特許文献１参照）。
千葉晶彦著、"電子ビーム積層造形技術による金属組織の特徴"、計測と制御、第５４巻、第６号、２０１５年６月号、ｐ３９９−４００
レーザビーム方式の積層造形法においては、パウダーベッドに照射されるレーザ光のエネルギーのうち、金属粉体に吸収されるレーザ光のエネルギーが、金属粉体の温度を上昇させるために利用される。このため、パウダーベッドに照射されるレーザ光の波長が長く、特にレーザ光の金属粉体への吸収効率が低い場合などにおいては、金属粉体の温度を上昇させるのに手間や時間などが掛かり得るといった観点などから、金属粉体の温度をパウダーベッドの焼結又は溶融が起こる温度まで上昇させることが困難である、という問題があった。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属粉体の温度をパウダーベッドの焼結又は溶融が起こる温度まで容易に上昇させることが可能な、レーザビーム方式の積層造形法を用いた照射装置、金属造形装置、金属造形システム、照射方法、又は金属造形物の製造方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る照射装置は、金属造形に用いられる照射装置であって、レーザ光をパウダーベッドの少なくとも一部に照射する照射部と、上記レーザ光の光路上に設けられた波長変換素子であって、当該波長変換素子に入力されるレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換素子と、を備えている。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る照射装置は、金属造形に用いられる照射装置であって、パウダーベッドの少なくも一部に照射されるレーザ光を出力するレーザ装置と、上記レーザ光の光路上に設けられた波長変換素子であって、当該波長変換素子に入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換素子と、を備えている。
本発明の一態様に係る照射装置において、上記波長変換素子は、上記レーザ光の光路において上記照射部よりも上流側に配置されている、ことが好ましい。
本発明の一態様に係る照射装置において、上記波長変換素子から出力されるレーザ光には、上記高調波光に加えて、上記波長変換素子に入力されるレーザ光と波長の等しい基本波光が含まれている、ことが好ましい。
本発明の一態様に係る照射装置において、上記高調波光は、上記パウダーベッドの温度が上記パウダーベッドに含まれる金属粉体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記パウダーベッドを加熱し、上記基本波光は、上記高調波光が上記パウダーベッドを加熱する前又は後に、上記パウダーベッドの温度が上記金属粉体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記パウダーベッドを加熱する、ことが好ましい。
本発明の一態様に係る照射装置は、上記高調波光のビームスポットと、ビームスポットのサイズが上記高調波光のビームスポットよりも大きい上記基本波光のビームスポットと、を上記パウダーベッドの表面に形成する集光レンズを更に備えている、ことが好ましい。
本発明の一態様に係る金属造形装置は、本発明の一態様に係る照射装置と、上記高調波光によって加熱された上記パウダーベッドの温度が上記パウダーベッドに含まれる金属粉体の融点の０．８倍よりも高くなり、上記基本波光によって加熱された上記パウダーベッドの温度が上記金属粉体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記波長変換素子の変換効率を制御する制御部と、を備えている、ことが好ましい。
本発明の一態様に係る金属造形装置は、上記パウダーベッドの温度を測定する測定部を更に備えており、上記制御部は、上記測定部によって測定される温度に基づいて、上記波長変換素子の変換効率を制御する、ことが好ましい。
本発明の一態様に係る金属造形システムは、本発明の一態様に係る金属造形装置と、上記パウダーベッドを保持するための造形テーブルと、を含んでいる、ことが好ましい。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る照射方法は、波長変換素子を用いて、当該波長変換素子に入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換工程と、上記高調波光を含む上記レーザ光をパウダーベッドに照射する照射工程と、を含んでいる。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る金属造形装置の製造方法は、波長変換素子を用いて、当該波長変換素子に入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換工程と、上記高調波光を含む上記レーザ光をパウダーベッドに照射する照射工程と、を含んでいる。
本発明の一態様によれば、金属粉体の温度をパウダーベッドの焼結又は溶融が起こる温度まで容易に上昇させることが可能な照射装置、金属造形装置、金属造形システム、照射方法、又は金属造形物の製造方法を実現することができる。
本発明の一実施形態に係る金属造形システムの構成を示す構成図である。 （ａ）は、図１に示す金属造形システムが備える照射装置の構成を示す構成図である。（ｂ）は、図１に示す金属造形システムにおいて用いられるパウダーベッドの平面図である。 本発明の一実施形態に係る金属造形物の製造方法の流れを示すフローチャートである。
（金属造形システムの構成）
本発明の一実施形態に係る金属造形システム１について、図１〜図２を参照して説明する。図１は、金属造形システム１の構成を示す構成図である。図２は、金属造形システム１が備える照射装置１３の構成を示す構成図である。
金属造形システム１は、立体的な金属造形物ＭＯを積層造形するためのシステムであり、図１に示すように、造形テーブル１０と、レーザ装置１１と、光ファイバ１２と、照射装置１３と、測定部１４と、制御部１５と、を備えている。なお、本明細書においては、金属造形システム１の要部のことを、「金属造形装置」と呼ぶ。金属造形装置は、少なくともレーザ装置１１、及び照射装置１３を含み、光ファイバ１２、測定部１４、及び制御部１５を含み得る。
本節では、造形テーブル１０、レーザ装置１１、光ファイバ１２、及び照射装置１３について説明した後、これらの構成が奏する効果について説明する。なお、測定部１４及び制御部１５については、次節で説明する。
造形テーブル１０は、パウダーベッドＰＢを保持するための構成である。造形テーブル１０は、例えば図１に示すように、リコータ１０ａと、ローラ１０ｂと、ステージ１０ｃと、これらが装備されたテーブル本体１０ｄと、により構成することができる。リコータ１０ａは、金属粉体を供給するための手段である。ローラ１０ｂは、リコータ１０ａによって供給される金属粉体を、ステージ１０ｃ上に均し広げるための手段である。ステージ１０ｃは、ローラ１０ｂによって均し広げられた金属粉体を載置するための手段であり、昇降可能に構成されている。パウダーベッドＰＢは、ステージ１０ｃ上に均し広げられた金属粉体を含んで構成されている。金属造形物ＭＯは、（１）前述したようにステージ１０ｃ上にパウダーベッドＰＢを形成する工程と、（２）後述するように高調波光ＨＬをパウダーベッドＰＢに照射することによって、金属造形物ＭＯの一断層を造形する工程と、（３）ステージ１０ｃを一断層分降下させる工程と、を繰り返すことによって、所定の厚みを有する断層毎に造形される。
なお、造形テーブル１０は、パウダーベッドＰＢを保持する機能を有していればよく、その構成は、前述したものに限定されない。例えば、リコータ１０ａの代わりに、金属粉体を収容する粉体槽を備え、この粉体槽の底板を上昇させることによって、金属粉体を供給する構成を採用してもよい。
レーザ装置１１は、レーザ光を出力するための構成である。本実施形態においては、レーザ装置１１として、ファイバレーザを用いている。レーザ装置１１として利用するファイバレーザは、共振器型のファイバレーザであってもよいし、ＭＯＰＡ（Master Oscillator - Power Amplifier）型のファイバレーザであってもよい。別の言い方をすれば、連続発振型のファイバレーザであってもよいし、パルス発振型のファイバレーザであってもよい。また、レーザ装置１１は、ファイバレーザ以外のレーザ装置であってもよい。固体レーザ、液体レーザ、気体レーザなど、任意のレーザ装置を、レーザ装置１１として利用することができる。
光ファイバ１２は、レーザ装置１１から出力されるレーザ光を導波するための構成である。本実施形態においては、光ファイバ１２として、ダブルクラッドファイバを用いている。ただし、光ファイバ１２は、ダブルクラッドファイバに限定されない。シングルクラッドファイバ、トリプルクラッドなど、任意の光ファイバを、光ファイバ１２として利用することができる。
照射装置１３は、（ａ）光ファイバ１２によって導波されるレーザ光を、そのレーザ光よりも波長の短い高調波光ＨＬを含むレーザ光に変換すると共に、（ｂ）高調波光ＨＬを含むレーザ光を、パウダーベッドＰＢに照射するための構成である。本実施形態においては、照射装置１３として、波長変換素子ＷＣＥを含むガルバノ型の照射装置を用いている。すなわち、図２の（ａ）に示すように、照射装置１３は、波長変換素子ＷＣＥと、第１ガルバノミラー１３ａ１及び第２ガルバノミラー１３ａ２を含むガルバノスキャナ１３ａ（特許請求の範囲における「照射部」の一例）と、集光レンズ１３ｂと、これらを収容する不図示の筐体と、を備えている。波長変換素子ＷＣＥとしては、例えば、ＫＴＰ、ｂｅｔａ−ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＤＫＤＰ、ＡＤＰ、ＫＤＰ、ＬｉＩＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＡｇＧａＳ２、ＡｇＧａＳｅ２などの結晶を利用することができる。光ファイバ１２から出力されるレーザ光は、波長変換素子ＷＣＥによって、そのレーザ光よりも波長の短い高調波光ＨＬを含むレーザ光に変換される。波長変換素子ＷＣＥから出力される高調波光ＨＬは、（１）第１ガルバノミラー１３ａ１によって反射され、（２）第２ガルバノミラー１３ａ２によって反射され、（３）集光レンズ１３ｂによって集光された後、パウダーベッドＰＢに照射される。
波長変換素子ＷＣＥから出力されるレーザ光には、高調波光ＨＬに加えて、波長変換素子ＷＣＥにおいて高調波光ＨＬに変換されずに残ったレーザ光、すなわち、光ファイバ１２から出力されるレーザ光と波長の等しい基本波光ＦＬも含まれ得る。波長変換素子ＷＣＥから出力される基本波光ＦＬは、波長変換素子ＷＣＥから出力される高調波光ＨＬと同様、（１）第１ガルバノミラー１３ａ１によって反射され、（２）第２ガルバノミラー１３ａ２によって反射され、（３）集光レンズ１３ｂによって集光された後、パウダーベッドＰＢに照射される。なお、波長変換素子ＷＣＥから出力されるレーザ光には、高調波光ＨＬのみが含まれていてもよい（基本波光ＦＬが含まれていなくてもよい）。波長変換素子ＷＣＥから出力されるレーザ光に高調波光ＨＬのみが含まれるようにするためには、例えば、波長変換素子ＷＣＥの変換効率を１００％近くに設定すればよい。この場合、例えば、波長変換後の光を不図示のシングルモードファイバに再結合させた場合、フィルタによって残留励起光を除去すればよい。以下、波長変換素子ＷＣＥから出力されるレーザ光が、主として、高調波光ＨＬに加えて基本波光ＦＬが含まれる場合について説明する。
ここで、第１ガルバノミラー１３ａ１は、パウダーベッドＰＢの表面に形成される高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬのビームスポットを、第１の方向（例えば、図示したｘ軸方向）に移動するための構成である。第２ガルバノミラー１３ａ２は、パウダーベッドＰＢの表面に形成される高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬのビームスポットを、第１の方向と交わる（例えば、直交する）第２の方向（例えば、図示したｙ軸方向）に移動するための構成である。集光レンズ１３ｂは、パウダーベッドＰＢの表面における高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬのビームスポット径を小さくするための構成である。
なお、パウダーベッドＰＢの表面における高調波光ＨＬのビームスポット径は、集光レンズ１３ｂによって集光された高調波光ＨＬのビームウエスト径に一致していてもよいし、一致していなくてもよい。或いは、パウダーベッドＰＢの表面における高調波光ＨＬのビームスポット径は、パウダーベッドＰＢに照射される高調波光ＨＬのエネルギー密度が所望の大きさになるように、調整されていてもよい。この場合、パウダーベッドＰＢの表面における高調波光ＨＬのビームスポット径は、集光レンズ１３ｂによって集光された高調波光ＨＬのビームウエスト径よりも大きくなる。
図２の（ｂ）に示すように、パウダーベッドＰＢの表面における基本波光ＦＬのビームスポットは、パウダーベッドＰＢの表面における高調波光ＨＬのビームスポットを包含し、パウダーベッドＰＢの表面における基本波光ＦＬのビームスポットのサイズは、パウダーベッドＰＢの表面における高調波光ＨＬのビームスポットのサイズよりも大きくなる。このようなビームスポットの包含関係は、（１）波長変換素子ＷＣＥとして、ビームスポットのサイズが高調波光ＨＬよりも大きい基本波光ＦＬを高調波光ＨＬとともに出力する波長変換素子を用いることによって、或いは、（２）集光レンズ１３ｂとして、色収差のある集光レンズを用いることによって実現することができる。なお、集光レンズ１３ｂとして、色収差のある集光レンズを用いることによって、このようなビームスポットの包含関係を実現できる理由は、基本波光ＦＬの波長が高調波光ＨＬの波長よりも長いので、基本波光ＦＬに対する集光レンズ１３ｂの焦点距離と高調波光ＨＬに対する集光レンズ１３ｂの焦点距離とが異なるからである。
なお、本実施形態に係る照射装置１３においては、波長変換素子ＷＣＥを、レーザ光の光路においてガルバノスキャナ１３ａの上流側（レーザ光の光源に近い側）に配置する構成を採用しているが、これに限定されない。すなわち、本実施形態に係る照射装置１３においては、波長変換素子ＷＣＥを、レーザ光の光路においてガルバノスキャナ１３ａの下流側（レーザ光の光源から遠い側）に配置する構成を採用してもよい。
以上のように、本実施形態に係る照射装置１３は、（１）レーザ装置１１から出力されるレーザ光をパウダーベッドＰＢの少なくとも一部に照射するガルバノスキャナ１３ａ（特許請求の範囲における「照射部」の一例）と、（２）レーザ装置１１から出力されるレーザ光の光路上に設けられた波長変換素子ＷＣＥであって、波長変換素子ＷＣＥに入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光ＨＬを含むレーザ光に変換する波長変換素子ＷＣＥと、を備えている。
このため、本実施形態に係る照射装置１３によれば、レーザ装置１１から出力されるレーザ光をそのままパウダーベッドＰＢに照射する場合と比べて、パウダーベッドＰＢに照射されるレーザ光の波長を短くすることができる。したがって、レーザ装置１１から出力されるレーザ光をそのままパウダーベッドＰＢに照射する場合と比べて、パウダーベッドＰＢを構成する金属粉体へのレーザ光の吸収効率を高くすることができる。これにより、レーザ装置１１から出力されるレーザ光をそのままパウダーベッドＰＢに照射する場合と比べて、パウダーベッドＰＢを構成する金属粉体の温度をパウダーベッドＰＢの焼結又は溶融が起こる温度まで上昇させることが容易になる、という効果を奏する。また、本実施形態に係る照射装置１３によれば、ガルバノスキャナ１３ａと波長変換素子ＷＣＥとを備えた比較的簡易な構成で当該効果を奏し得る。或いは、レーザ装置１１を発振波長の異なる他のレーザ装置に交換せずとも、レーザ光の波長を波長変換素子ＷＣＥに通すだけで変換することができるので、レーザ光の波長を容易に調整することができる。なお、本実施形態に係る照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システム１によっても、同様の効果を奏する。
また、上述したように、本実施形態に係る照射装置１３においては、波長変換素子ＷＣＥから出力されるレーザ光に、レーザ光の波長と等しい基本波光ＦＬが含まれ得る。この場合、本実施形態に係る照射装置１３によれば、パウダーベッドＰＢの特定の領域に着目したとき、高調波光ＨＬによる本加熱の前又は後に、基本波光ＦＬによる補助加熱を行うことができる。これにより、本加熱されている領域とその周辺の領域との温度差を小さくすることができる。すなわち、本加熱開始時の金属粉体の温度上昇、又は、本加熱終了後の凝固した又は焼結した金属造形物ＭＯの少なくとも一部の断層の温度低下を緩やかにすることができる。したがって、金属造形物ＭＯに生じ得る残留応力を小さく（例えば、電子ビームを使った金属造形装置と同程度に）抑えることができる。しかも、高調波光ＨＬによる本加熱と基本波光ＦＬによる補助加熱とは、並行して行われる。特に、本実施形態においては、高調波光ＨＬの照射と基本波光ＦＬの照射とが単一のガルバノスキャナ１３ａを用いて行われるので、レーザ光ＬＬによる本加熱とクラッドＣＬによる補助加熱とが間隔（時間的及び／又は空間的な間隔）を大きく空けずに行われる。したがって、補助加熱を行うために余計に時間を掛ける必要がない。また、補助加熱を行うために余計な設備を設けたる必要もない。したがって、金属造形物の積層造形に掛かる時間を短く抑えながら、できあがった金属造形物において生じ得る残留応力を小さく抑えることができる、という効果を奏する。ここで、本加熱とは、金属粉体が焼結又は溶融する程度に、パウダーベッドＰＢを加熱することを指す。また、補助加熱とは、金属粉体が仮焼結する程度に、パウダーベッドＰＢを加熱することを指す。本実施形態に係る照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システム１によっても、同様の効果を奏する。
なお、照射装置１３によって照射される高調波光ＨＬは、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体（パウダーベッドＰＢに含まれる金属粉体。以下、同様。）の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くなるように、パウダーベッドＰＢを本加熱することが好ましい。なお、高調波光ＨＬのビームスポット内においては、高調波光ＨＬに加えて基本波光ＦＬも同時に照射され得る。したがって、本段落において説明した本加熱には、（１）高調波光ＨＬのみによって、高調波光ＨＬのビームスポット内でパウダーベッドＰＢの温度を金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くする態様の他に、（２）高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬによって、高調波光ＨＬのビームスポット内でパウダーベッドＰＢの温度を金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くする態様が含まれる。
特に、金属造形物ＭＯの各断層を金属粉体の溶融・凝固によって造形する場合、照射装置１３によって照射される高調波光ＨＬは、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍ以上になるように、パウダーベッドＰＢを本加熱することが好ましい。この場合、高調波光ＨＬでパウダーベッドＰＢ上を走査すると、高調波光ＨＬのビームスポットの軌跡においてパウダーベッドＰＢが溶融・凝固する。これにより、金属造形物ＭＯの各断層が造形される。なお、高調波光ＨＬのビームスポット内においては、高調波光ＨＬに加えて基本波光ＦＬも同時に照射され得る。したがって、本段落において説明した本加熱には、（１）高調波光ＨＬのみによって、高調波光ＨＬのビームスポット内でパウダーベッドＰＢの温度を金属粉体の融点Ｔｍ以上にする態様の他に、（２）高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬによって、高調波光ＨＬのビームスポット内でパウダーベッドＰＢの温度を金属粉体の融点Ｔｍ以上にする態様が含まれる。
一方、金属造形物ＭＯの各断層を金属粉体の焼結によって造形する場合、照射装置１３によって照射される高調波光ＨＬは、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高く、かつ、金属粉体の融点Ｔｍよりも低くなるように、パウダーベッドＰＢを本加熱することが好ましい。この場合、高調波光ＨＬでパウダーベッドＰＢ上を走査すると、高調波光ＨＬのビームスポットの軌跡においてパウダーベッドＰＢが焼結する。これにより、金属造形物ＭＯの各断層が造形される。なお、高調波光ＨＬのビームスポット内においては高調波光ＨＬに加えて基本波光ＦＬも同時に照射され得る。したがって、本段落において説明した本加熱には、（１）高調波光ＨＬのみによって、高調波光ＨＬのビームスポット内でパウダーベッドＰＢの温度を金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも大きく、かつ、金属粉体Ｔｍの融点よりも小さくする態様の他に、（２）高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬによって、高調波光ＨＬのビームスポット内でパウダーベッドＰＢの温度を金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも大きく、かつ、金属粉体Ｔｍの融点よりも小さくする態様が含まれる。
また、照射装置１３によって照射される基本波光ＦＬは、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍの０．５倍以上０．８倍以下になるように、パウダーベッドＰＢを補助加熱することが好ましい。この場合、基本波光ＦＬでパウダーベッドＰＢ上を走査すると、基本波光ＦＬのビームスポットの軌跡においてパウダーベッドＰＢが加熱される。特に、高調波光ＨＬが未だ照射されていないパウダーベッドＰＢ上の領域を基本波光で走査した場合には、基本波光ＦＬのビームスポットの軌跡においてパウダーベッドＰＢが仮焼結する。
以上のように、本実施形態に係る照射装置１３においては、（１）パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くなるように、高調波光ＨＬがパウダーベッドＰＢを本加熱し、（２）高調波光ＨＬによる本加熱の前又は後に、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍの０．５倍以上０．８倍以下になるように、基本波光ＦＬがパウダーベッドＰＢを補助加熱することが好ましい。ここで、本加熱の前又は後に補助加熱するとは、パウダーベッドＰＢの特定の領域に着目したときに、本加熱を行う前又は後に補助加熱が行われることを意味する。これにより、本実施形態に係る照射装置１３によれば、金属造形物ＭＯにおける残留応力を、更に小さく抑えることができる、という効果を奏する。本実施形態に係る照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システム１も、同様の効果を奏する。
なお、本加熱の前に補助加熱を実施する構成を採用することには、以下のメリットが得られ得る。第１のメリットは、金属造形物ＭＯの積層密度が下がり難い点である。すなわち、本加熱の前に補助加熱を行わない場合、本加熱の際にパウダーベッドＰＢが急加熱される。このため、金属粉体が溶融することにより生じる金属液体が大きな運動量を持ち易く、その結果、金属液体が凝固することにより生じる金属固体の表面の平坦性が損なわれ易い。これにより、金属造形物ＭＯの積層密度が下がり易くなる。これに対して、本加熱の前に補助加熱を実施する場合には、本加熱の際のパウダーベッドＰＢの温度上昇を緩やかにすることができる。このため、金属粉体が溶融することにより生じる金属液体が大きな運動量を持ち難くなり、その結果、金属液体が凝固することにより生じる金属固体の表面の平坦性が損なわれ難い。これにより、金属造形物ＭＯの積層密度が下がり難くなる。
第２のメリットは、本加熱の際に照射する高調波光ＨＬのパワーを小さく抑えることができる点である。本加熱の際に照射する高調波光ＨＬのパワーを小さく抑えることができるのは、本加熱を実施する際のパウダーベッドＰＢの温度が補助加熱によって既にある程度高くなっているからである。第３のメリットは、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度の場所毎のばらつきを小さく抑えることができる点である。例えば、補助加熱を行わずに本加熱によってパウダーベッドＰＢの温度を２０℃から１０００℃に上昇させる場合を考える。この場合、本加熱時の温度上昇度が約１０００℃になるので、そのばらつきが±１０％であるとすると、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度は、約９００℃〜１１００℃の範囲内でばらつくことになる。このように、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度のばらつきが大きいと、ある場所では過剰加熱になり、ある場所では加熱不足になるという問題が生じ易い。一方、補助加熱によってパウダーベッドＰＢの温度を６００℃に上昇させた後、本加熱によってパウダーベッドＰＢの温度を６００℃から１０００℃に上昇させる場合を考える。この場合、本加熱時の温度上昇度が約４００℃になるので、そのばらつきが±１０％であるとすると、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度は、約９６０℃〜１０４０℃の範囲内でばらつくことになる。このように、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度のばらつきが小さいと、ある場所では過剰加熱になり、ある場所では加熱不足になるという問題が生じ難い。
一方、本加熱の後に補助加熱を実施する場合には、金属造形物ＭＯに生じ得る残留応力を更に小さく抑えるというメリットが得られ得る。補助加熱を行うことによって、本加熱された領域とその周辺の領域との温度差を小さくすることに加えて、本加熱が終了した後の凝固した又は焼結した金属造形物ＭＯの少なくとも一部の断層の温度低下を緩やかにすることが可能になるからである。
また、上述したように、本実施形態に係る照射装置１３は、高調波光ＨＬのビームスポットと、ビームスポットのサイズが高調波光ＨＬのビームスポットよりも大きい基本波光ＦＬのビームスポットと、をパウダーベッドＰＢの表面に形成する集光レンズ１３ｂを更に備えている。このため、照射装置１３によれば、パウダーベッドＰＢに照射される高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬのパワー密度を高めることができる。したがって、高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬのパワーが比較的低い場合であっても、高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬのビームスポット内でのパウダーベッドＰＢの温度を十分に高めることができる。このため、高調波光ＨＬ及び基本波光ＦＬのビームスポット内でのパウダーベッドＰＢの温度を十分に高めるために要する消費電力を削減することができる、という効果を奏する。照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システム１によっても、同様の効果を奏する。
また、上述したように、本実施形態に係る照射装置１３においては、波長変換素子ＷＣＥが、レーザ光の光路においてガルバノスキャナ１３ａよりも上流側に配置されている。換言すると、波長変換素子ＷＣＥは、レーザ装置１１からガルバノスキャナ１３ａまでのレーザ光の光路上に、或いは、レーザ装置１１の内部（例えば、出射端部付近）に含まれるレーザ光の光路上に配置されている。このため、本実施形態に係る照射装置１３によれば、ガルバノスキャナ１３ａを用いてレーザ光のビームスポットを移動する際に、この移動とは別に波長変換素子ＷＣＥを移動させる必要がない。このため、波長変換素子ＷＣＥを移動するための機構を省略するなど、照射装置１３の構成を単純化することができる、という効果を奏する。本実施形態に係る照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システム１によっても、同様の効果を奏する。特に、本実施形態に係る照射装置１３を備えた金属造形装置は、その内部に波長変換素子ＷＣＥを含んでいることにより、外力による波長変換素子ＷＣＥへのダメージを低減することができる、或いは、外力による波長変換の影響を受けにくくなり得るので波長変換の安定性を向上することができる。
なお、本実施形態においては、波長変換素子ＷＣＥが照射装置１３に含まれる構成を例示しているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、波長変換素子ＷＣＥが照射装置１３に含まれない構成も、本発明の範疇に含まれる。例えば、波長変換素子ＷＣＥは、光ファイバ１２に挿入されていてもよい。このような構成を実現するためには、例えば、光ファイバ１２を第１の光ファイバと第２の光ファイバの２本の光ファイバにより構成し、第１の光ファイバから出射されたレーザ光をコリメートして波長変換素子ＷＣＥに入射させると共に、波長変換素子ＷＣＥから出力されたレーザ光を集光して第２の光ファイバに入射させる空間光学系を用いればよい。また、波長変換素子ＷＣＥは、照射装置１３とパウダーベッドＰＢとの間に配置されていてもよい。すなわち、波長変換素子ＷＣＥは、レーザ光の光路上に設けられていれば、照射装置１３の内外を問わず、どこに設けられていてもよい。
（測定部及び制御部）
前述したように金属造形装置は、測定部１４及び制御部１５を含み得る。本節では、測定部１４及び制御部１５について説明する。なお、図１において、測定部１４と制御部１５とを結ぶ線は、測定部１４にて得られた測定結果を表す信号を制御部１５に送信するための信号線を表し、互いに電気的または光学的に接続されている。また、図１において、制御部１５とレーザ装置１１とを結ぶ線、及び、制御部１５と波長変換素子ＷＣＥとを結ぶ線は、それぞれ、制御部１５にて生成された制御信号をレーザ装置１１及び波長変換素子ＷＣＥに送信するための信号線を表し、互いに電気的または光学的に接続されている。
測定部１４は、パウダーベッドＰＢの温度（例えば、表面温度）を測定するための構成である。測定部１４としては、例えば、サーモカメラを用いることができる。
制御部１５は、（１）高調波光ＨＬを照射することによって、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くなるように、かつ、（２）基本波光ＦＬを照射することによって、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍの０．５倍以上０．８倍以下になるように、波長変換素子ＷＣＥの変換効率を制御するための構成である。前述したとおり、Ｔｍは、パウダーベッドＰＢに含まれる金属粉体の融点である。本実施形態において、制御部１５は、測定部１４によって測定される温度に基づいて、波長変換素子ＷＣＥの変換効率を制御する。制御部１５としては、例えば、マイコンを用いることができる。また、波長変換素子ＷＣＥの変換効率を制御する方法としては、例えば、（１）波長変換素子ＷＣＥを構成する結晶の温度を変化させることによって、波長変換素子ＷＣＥの変換効率を変化させる方法、又は、（２）波長変換素子ＷＣＥを構成する結晶の向きを変化させる（結晶に対するレーザ光の入射角を変化させる）ことによって、波長変換素子ＷＣＥの変換効率を変化させる方法などが挙げられる。なお、制御部１５は、レーザ装置１１から出力されるレーザ光のパワーを制御してもよい。
測定部１４及び制御部１５を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システム１によれば、各種条件が変化しても、高調波光ＨＬによる本加熱及び基本波光ＦＬによる補助加熱を適切に行うことができる、という効果を奏する。
（金属造形物の製造方法）
金属造形システム１を用いた金属造形物ＭＯの製造方法Ｓについて、図３を参照して説明する。図３は、製造方法Ｓの流れを示すフローチャートである。
製造方法Ｓは、図３に示すように、パウダーベッド形成工程Ｓ１と、レーザ光照射工程Ｓ２（特許請求の範囲における「照射方法」の一例）と、ステージ降下工程Ｓ３と、造形物取出工程Ｓ４と、を含んでいる。金属造形物ＭＯは、前述したように、断層毎に造形される。パウダーベッド形成工程Ｓ１、レーザ光照射工程Ｓ２、及びステージ降下工程Ｓ３を、断層数分、繰り返し実行される。
パウダーベッド形成工程Ｓ１は、造形テーブル１０のステージ１０ｃ上にパウダーベッドＰＢを形成する工程である。パウダーベッド形成工程Ｓ１は、例えば、（１）リコータ１０ａを用いて金属粉体を供給する工程と、（２）ローラ１０ｂを用いて金属粉体をステージ１０ｃ上に均し広げる工程と、により実現することができる。
レーザ光照射工程Ｓ２は、レーザ光をパウダーベッドＰＢに照射することによって、金属造形物ＭＯの一断層を造形する工程である。レーザ光照射工程Ｓ２には、（１）波長変換素子ＷＣＥを用いて、波長変換素子ＷＣＥに入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光ＨＬを含むレーザ光に変換する波長変換工程Ｓ２１と、（２）高調波光ＨＬを含むレーザ光をパウダーベッドＰＢに照射する照射工程Ｓ２２と、が含まれる。これにより、高調波光ＨＬによるパウダーベッドＰＢの本加熱が行われる。波長変換素子ＷＣＥから出力されるレーザ光に基本波光ＦＬが含まれる場合には、高調波光ＨＬによる本加熱の前又は後に、基本波光ＦＬによる補助加熱が行われる。ここで、本加熱の前又は後に補助加熱が行われるとは、パウダーベッドＰＢの特定の領域に着目したときに、本加熱を行う前又は後に補助加熱が行われることを意味する。
ステージ降下工程Ｓ３は、一段層分、造形テーブル１０のステージ１０ｃを降下させる工程である。これにより、ステージ１０ｃ上に新たなパウダーベッドＰＢを形成することが可能になる。パウダーベッド形成工程Ｓ１、レーザ光照射工程Ｓ２、及びステージ降下工程Ｓ３を断層数分繰り返すことによって、金属造形物ＭＯができあがる。
造形物取出工程Ｓ４は、できあがった金属造形物ＭＯをパウダーベッドＰＢの中から取り出す工程である。これにより、金属造形物ＭＯが完成する。
レーザ光照射工程Ｓ２、及び、レーザ光照射工程Ｓ２を含む金属造形物の製造方法Ｓによれば、レーザ光をそのままパウダーベッドＰＢに照射する場合と比べて、パウダーベッドＰＢを構成する金属粉体の温度をパウダーベッドＰＢの焼結又は溶融が起こる温度まで上昇させることが容易になる、という効果を奏する。また、波長変換素子ＷＣＥから出力されるレーザ光に基本波光ＦＬが含まれる場合には、補助加熱を行うために余計な時間が掛かることを避けながら、金属造形物ＭＯにおいて生じ得る残留応力を小さく抑えることができる、という効果を奏する。
（付記事項）
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものでなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本実施形態における照射装置１３は、少なくともガルバノスキャナ１３ａと波長変換素子ＷＣＥとを備えているが、本発明に係る照射装置は、これに限定されない。すなわち、少なくともレーザ装置１１と波長変換素子ＷＣＥとを備えた照射装置についても、本発明の範疇に含まれる。レーザ装置１１と波長変換素子ＷＣＥとを備えた照射装置も、ガルバノスキャナ１３ａと波長変換素子ＷＣＥとを備えた照射装置１３と同様、レーザ装置１１から出力されるレーザ光をそのままパウダーベッドＰＢに照射する場合と比べて、パウダーベッドＰＢを構成する金属粉体の温度をパウダーベッドＰＢの焼結又は溶融が起こる温度まで上昇させることが容易になる、という効果を奏する。また、本実施形態に係る照射装置１３によれば、レーザ装置１１と波長変換素子ＷＣＥとを備えた比較的簡易な構成で上述した効果を奏し得る。或いは、レーザ装置１１を発振波長の異なる他のレーザ装置に交換せずとも、レーザ光の波長を波長変換素子ＷＣＥに通すだけで変換することができるので、レーザ光の波長を容易に調整することができる。また、少なくともレーザ装置１１と波長変換素子ＷＣＥとを備えた照射装置は、ガルバノスキャナ１３ａに起因する作用効果を除き、上述した照射装置１３と同様の作用効果を奏し得る。
１ 金属造形システム
１０ 造形テーブル
１１ レーザ装置
１２ 光ファイバ
１３ 照射装置
１３ａ ガルバノスキャナ（照射部）
１３ｂ 集光レンズ
１４ 測定部
１５ 制御部
ＷＣＥ 波長変換素子
ＨＬ 高調波光
ＦＬ 基本波光

Claims (9)

  1. 金属造形に用いられる照射装置であって、
    レーザ光をパウダーベッドの少なくとも一部に照射する照射部と、
    上記レーザ光の光路上に設けられた波長変換素子であって、当該波長変換素子に入力されるレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換素子と、を備え、
    上記波長変換素子から出力されるレーザ光には、上記高調波光に加えて、上記波長変換素子に入力されるレーザ光と波長の等しい基本波光が含まれており、
    上記高調波光は、上記パウダーベッドの温度が上記パウダーベッドに含まれる金属粉体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記パウダーベッドを加熱し、
    上記基本波光は、上記高調波光が上記パウダーベッドを加熱する前又は後に、上記パウダーベッドの温度が上記金属粉体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記パウダーベッドを加熱する、
    ことを特徴とする照射装置。
  2. 金属造形に用いられる照射装置であって、
    パウダーベッドの少なくも一部に照射されるレーザ光を出力するレーザ装置と、
    上記レーザ光の光路上に設けられた波長変換素子であって、当該波長変換素子に入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換素子と、を備え、
    上記波長変換素子から出力されるレーザ光には、上記高調波光に加えて、上記波長変換素子に入力されるレーザ光と波長の等しい基本波光が含まれており、
    上記高調波光は、上記パウダーベッドの温度が上記パウダーベッドに含まれる金属粉体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記パウダーベッドを加熱し、
    上記基本波光は、上記高調波光が上記パウダーベッドを加熱する前又は後に、上記パウダーベッドの温度が上記金属粉体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記パウダーベッドを加熱する、
    ことを特徴とする照射装置。
  3. 上記波長変換素子は、上記レーザ光の光路において上記照射部よりも上流側に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
  4. 上記高調波光のビームスポットと、ビームスポットのサイズが上記高調波光のビームスポットよりも大きい上記基本波光のビームスポットと、を上記パウダーベッドの表面に形成する集光レンズを更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の照射装置。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の照射装置と、
    上記高調波光によって加熱された上記パウダーベッドの温度が上記パウダーベッドに含まれる金属粉体の融点の０．８倍よりも高くなり、上記基本波光によって加熱された上記パウダーベッドの温度が上記金属粉体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記波長変換素子の変換効率を制御する制御部と、を備えている、
    ことを特徴とする金属造形装置。
  6. 上記パウダーベッドの温度を測定する測定部を更に備えており、
    上記制御部は、上記測定部によって測定される温度に基づいて、上記波長変換素子の変換効率を制御する、
    ことを特徴とする請求項５に記載の金属造形装置。
  7. 請求項５又は６の何れか１項に記載の金属造形装置と、上記パウダーベッドを保持するための造形テーブルと、を含んでいる、
    ことを特徴とする金属造形システム。
  8. 波長変換素子を用いて、当該波長変換素子に入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換工程と、
    上記高調波光を含む上記レーザ光をパウダーベッドに照射する照射工程と、を含んでおり、
    上記波長変換素子から出力されるレーザ光には、上記高調波光に加えて、上記波長変換素子に入力されるレーザ光と波長の等しい基本波光が含まれており、
    上記照射工程においては、上記高調波光は、上記パウダーベッドの温度が上記パウダーベッドに含まれる金属粉体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記パウダーベッドを加熱し、
    上記照射工程においては、上記基本波光は、上記高調波光が上記パウダーベッドを加熱する前又は後に、上記パウダーベッドの温度が上記金属粉体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記パウダーベッドを加熱する、
    ことを特徴とする照射方法。
  9. 波長変換素子を用いて、当該波長変換素子に入力されたレーザ光を、当該レーザ光よりも波長の短い高調波光を含むレーザ光に変換する波長変換工程と、
    上記高調波光を含む上記レーザ光をパウダーベッドに照射する照射工程と、を含んでおり、
    上記波長変換素子から出力されるレーザ光には、上記高調波光に加えて、上記波長変換素子に入力されるレーザ光と波長の等しい基本波光が含まれており、
    上記照射工程においては、上記高調波光は、上記パウダーベッドの温度が上記パウダーベッドに含まれる金属粉体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記パウダーベッドを加熱し、
    上記照射工程においては、上記基本波光は、上記高調波光が上記パウダーベッドを加熱する前又は後に、上記パウダーベッドの温度が上記金属粉体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記パウダーベッドを加熱する、
    ことを特徴とする金属造形物の製造方法。
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