JP7048799B1 - 積層構造物の製造装置、積層構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の積層領域において冷却速度を促進する制御が可能となり、冷却速度の制御によって所望の金属組織を発現させやすい積層構造物の製造装置および製造方法を提供する。【解決手段】レーザ発振機１４と、チャンバー３と、チャンバー３内で上下方向に移動可能な金属粉末Ｍのパウダーベッド８を有する造形ステージ４と、金属層または製造途中の積層構造物２０の温度を測定する複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂと、金属層または製造途中の積層構造物２０の温度を調整する１以上の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂと、を備え、測温プローブ５Ａおよび温度調整プローブ６Ａが、造形ステージ４のパウダーベッド８を構成する部分の内部に埋め込まれている、積層構造物の製造装置１Ａ。【選択図】図１

Description

本発明は、積層構造物の製造装置、積層構造物の製造方法に関する。

Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと称される付加製造技術がある。付加製造技術の一例として、樹脂、金属等の層を造形し、造形された層を積層して三次元造形物を作製する積層構造物の製造方法が知られている。例えば、任意のＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データに基づいてエネルギー線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。

近年では、三次元構造物の任意形状を制御するだけではなく、三次元構造物の結晶組織を制御することが提案されている。三次元構造物の結晶組織は、機械的特性を制御する点で重要である。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。また、結晶の微細化によれば、降伏応力、硬度等の異方性を付与できる。

一例として、結晶組織の制御のために製造途中の積層構造物の冷却速度を制御することが提案されている。付加製造技術の分野において、冷却速度を制御する積層構造物の製造装置として下記の（１）～（４）のものが提案されている。
（１）外部熱制御装置として誘導コイルを使用して、製造途中の積層構造物の温度および加熱速度を制御することで、方向性凝固または単結晶ミクロ組織を有する積層構造物を得る装置（例えば、特許文献１）。
（２）積層構造物の各層を積層する前の予熱または各層を積層した後の再加熱のために、エネルギー線の照射源を制御し、積層構造物中の任意の層領域の温度勾配を制御する装置（例えば、特許文献２）。
（３）エネルギー線によって形成されるメルトプールの実凝固速度に基づいて処理パラメータ（エネルギー線のパワーレベル、メルトプール内に粉体を堆積させる速度、エネルギー線の処理速度、滞留時間の導入、基板の温度等）を調整し、溶融金属の凝固速度を制御する装置（例えば、特許文献３）。メルトプールの実凝固速度は、メルトプールの温度をカメラで測定し、メルトプールの遷移領域の物理パラメータを定量化し、その物理パラメータとエネルギー線の処理速度との比較に基づいて決定される。
（４）トーチで形成される溶着ビードの温度を監視する温度監視処理と、溶着ビードの温度に基づいた第１の間隔をあけてトーチに対して打撃ツールを追従させ、溶着ビードを打撃するピーニング処理とを行う装置（例えば、特許文献４）。溶着ビードを打撃するピーニング処理を行う際に、冷却機構を備えた打撃ツールによって冷却速度を制御できる。

しかし、（１）の装置は、積層構造物全体の冷却速度を制御するものである。そのため、積層構造物内の任意の箇所において冷却速度を調整できない。
（２）の装置は、エネルギー線の照射源を制御して各層に与える熱量を制御するものである。そのため、温度勾配の制御の対象となる層領域の目標温度が低い場合、冷却能力が不足する。この場合、冷却によって目標温度に到達する時間が相対的に長くなり、より短時間で目標温度に到達させないと発現しないような金属組織を得るための制御ができない。
（３）の装置のようなプロセスパラメータの制御では、冷却速度を促進できず、自然冷却に近い冷却速度が限界となる。そのため、より高い冷却速度でしか発現しないような金属組織を得るための制御ができない。
（４）の装置において粉末床溶融（Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ：ＰＢＦ）方式を採用した場合、打撃ツールの使用によって溶融部以外の金属の粉末層が打撃の衝撃により乱れ、レーザ照射前の粉末層の形成および積層構造物の造形の妨げになる。また、指向性エネルギー堆積（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＤＥＤ）方式を採用した場合には、打撃の衝撃により、供給される粉末が乱れ、金属層の形成および積層構造物の造形の妨げになる。

一方で、金属溶接の分野においては、特許文献５に示すように、ジュール・トムソン効果により空気を冷却し、溶接部に吹き付けて冷却する方法が知られてはいる。しかし、この方法をＰＢＦ方式の金属３Ｄプリンターに適用すると、冷媒を吹き付けることで溶融部以外の金属粉末が飛散し、レーザ照射前の粉末層の形成および積層構造物の造形の妨げになる。また、ＤＥＤ方式の金属３Ｄプリンターに適用すると、冷媒を吹き付けることで供給される粉末が乱れ、金属層の形成および積層構造物の造形の妨げになる。

以上説明したように、従来、製造途中の積層構造物の冷却速度を制御することは提案されているものの、従来の手法では、任意の積層領域において冷却速度を促進できず、結果として所望の金属組織を発現させにくい、という問題がある。また、金属溶接の分野において充分な冷却速度を実現するための冷却手法は、金属３Ｄプリンターへの適用が困難である、という問題もある。

特許第６２１６８８１号公報 特表２０１９－５１８８７３号公報 特表２０２０－５２３４７６号公報 特開２０１９－１４１８５４号公報 特公昭６１－３５９５号公報

本発明は、任意の積層領域において冷却速度を促進する制御が可能となり、冷却速度の制御によって所望の金属組織を発現させやすい積層構造物の製造装置および製造方法を提供する。

本発明は下記の態様を有する。
［１］ 金属粉末にエネルギー線を照射して形成した金属層を複数重ねて積層構造物を得る製造装置であって；エネルギー線の照射源と；チャンバーと；前記チャンバー内で上下方向に移動可能な金属粉末のパウダーベッドを有する造形ステージと；前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を測定する１以上の測温プローブと；前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を調整する１以上の温度調整プローブと；を備え；前記測温プローブの少なくとも１つおよび前記温度調整プローブの少なくとも１つが、前記造形ステージの前記パウダーベッドを構成する部分の内部に埋め込まれている、積層構造物の製造装置。
［２］ 前記造形ステージが、エネルギー線が照射される前の金属粉末を貯留する貯留部をさらに有し；前記造形ステージの前記貯留部を構成する部分の内部に、前記温度調整プローブの少なくとも１つが埋め込まれている、［１］の積層構造物の製造装置。
［３］ 前記温度調整プローブが、ジュール・トムソン効果を利用して前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を調整する、［１］または［２］の積層構造物の製造装置。
［４］ 前記温度調整プローブが、液化ガスを利用して前記金属層または製造途中の前記積層構造物を冷却する、［１］～［３］のいずれかの積層構造物の製造装置。
［５］ 前記温度調整プローブから排出されるガスが流れる排出ラインと、前記チャンバー内に供給されるシールドガスが流れるシールドガス供給ラインとが接続されている、［３］または［４］の積層構造物の製造装置。
［６］ 前記温度調整プローブの少なくとも１つが、その先端が前記チャンバー内に配置されるように伸縮自在に設置されている、［１］～［５］のいずれかの積層構造物の製造装置。
［７］ ［１］～［６］のいずれかの積層構造物の製造装置を用いて積層構造物を製造する方法であり；前記造形ステージの前記パウダーベッドを構成する部分の内部に埋め込まれた前記測温プローブおよび前記温度調整プローブを用いることで、前記金属層または製造途中の前記積層構造物の冷却速度を制御する、積層構造物の製造方法。

本発明によれば、任意の積層領域において冷却速度を促進する制御が可能となり、冷却速度の制御によって所望の金属組織を発現させやすい積層構造物の製造装置および製造方法が提供される。

積層構造物の製造装置の一例の概略を示す模式図である。 図１の積層構造物の製造装置の動作を説明するための示す模式図である。 温度調整プローブ、測温プローブの一例を説明するための模式図である。 温度調整プローブの一例の概略を示す模式図である。 温度調整プローブの一例の概略を示す模式図である。 積層構造物の製造装置の他の一例の概略を示す模式図である。 積層構造物の製造装置の他の一例の概略を示す模式図である。 図７の製造装置の造形ステージの貯留部を説明するための示す模式図である。 積層構造物の製造装置の他の一例の概略を示す模式図である。 ＤＥＤ方式の製造装置における温度調整プローブ、測温プローブの動作を説明するための示す模式図である。 ＤＥＤ方式の製造装置における温度調整プローブ、測温プローブの動作を説明するための示す模式図である。 ＷＡＡＭ方式の製造装置における温度調整プローブ、測温プローブの動作を説明するための示す模式図である。 ＷＡＡＭ方式の製造装置における温度調整プローブ、測温プローブの動作を説明するための示す模式図である。

本明細書において、数値範囲を示す「～」は、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含むことを意味する。

以下、一実施形態例を挙げて本発明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。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。

図１は、一実施形態に係る積層構造物の製造装置の概略を示す模式図である。
図１に示す積層構造物の製造装置１Ａは、エネルギー線の照射源を含む照射部２と、チャンバー３と、造形ステージ４と、複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂと、複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂと、図示略の制御部とを備える。

照射部２はレーザ発振機１４（エネルギー線の照射源）と光学系１５とを有する。光学系１５はレーザ発振機１４からのレーザを反射し、造形ステージ４の金属粉末Ｍにレーザを走査しながら照射する。
光学系１５はレーザ発振機１４から金属粉体に照射されるレーザの反射位置をあらかじめ入力されたデータにしたがって制御できる形態であれば特に限定されない。光学系１５は、例えば一以上の反射鏡で構成できる。

レーザ発振機１４、光学系１５はいずれも図示略の制御部と電気的に接続されているため、照射部２は、図示略の制御部の指示にしたがって光学系１５によるレーザの反射方向を制御できる。そして、照射部２はレーザの反射方向を光学系１５によって制御し、レーザを走査して照射する。

金属粉末は特に限定されない。例えば、カーボン、ホウ素、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およびこれらの合金の粉末が挙げられる。
金属粉末の粒径も特に限定されない。例えば１０～２００μｍ程度とすることができる。

チャンバー３は、積層構造物の造形が行われる筐体である。チャンバー３の上方の側面は、図示略のシールドガス供給管が接続されている。シールドガス供給管はチャンバー３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３内の金属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。

造形ステージ４は、任意形状の金属層の形成と、形成した金属層の積層とを繰り返すための場である。造形ステージ４は、チャンバー３内に設けられている。造形ステージ４は、貯留部７とパウダーベッド８と回収部９とブレード１０とを有する。ブレード１０は、図中の水平方向に沿って往復移動する。

貯留部７は、エネルギー線（レーザ）が照射される前の金属粉末Ｍを貯留する。貯留部７は、パウダーベッド８に供給するための金属粉末Ｍと、金属粉末Ｍ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の上昇によって金属粉末Ｍが造形ステージ４の上面より上側に堆積する。堆積した金属粉末Ｍは、ブレード１０によって図中の水平方向に沿って移動してパウダーベッド８に供給される。パウダーベッド８の金属粉末Ｍの表面はブレード１０によって平坦に整えられる。

パウダーベッド８は、金属粉末Ｍと、金属粉末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。ベースプレートは、積層構造物を載置するための板である。
ブレード１０、第１の昇降台１１および第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。そのためブレード１０、第１の昇降台１１は、制御部の指示にしたがって貯留部７の金属粉末をパウダーベッド８に供給できる。

第２の昇降台１２は、図中の鉛直方向に沿って移動可能である。そのため、金属粉末のパウダーベッド８はチャンバー３内で上下方向に移動可能である。第２の昇降台１２が上下方向に△ｈ下降すると、厚さ△ｈの金属粉末Ｍの粉末層がパウダーベッド８に形成される。この第２の昇降台１２の上下方向の下降距離△ｈは、積層構造物の各金属層のためのパウダーベッドの積層厚さ△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積層厚さ△ｈを制御できる。

回収部９は、第３の昇降台１３を有する。第３の昇降台１３はｚ軸方向に沿って移動可能である。積層構造物の製造装置１Ａにおいては、ブレード１０によってパウダーベッド８を形成した際に、余剰な金属粉末を回収部９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４に残留した金属粉末をブレード１０によって回収部９に移動させて回収できる。

複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂは、金属層または製造途中の積層構造物２０の温度を測定するためのものである。複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂは、その先端が金属層または製造途中の積層構造物２０と接触することで、任意の金属層または製造途中の積層構造物２０の任意領域の温度を測定できる。

複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂのうち、一部の測温プローブ５Ａは造形ステージ４のパウダーベッド８を構成する部分の内部に埋め込まれ、パウダーベッド８内で伸縮自在に設置されている。そのため、測温プローブ５Ａによって金属層または製造途中の積層構造物２０の温度を測定したときに、レーザ照射前の粉末層の形成、金属層の形成および積層構造物２０の造形の妨げになりにくい。
複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂのうち、測温プローブ５Ｂはチャンバー３内で伸縮自在に設置されている。測温プローブ５Ｂはチャンバー３内の雰囲気ガスの温度を測定できる。
各測温プローブは金属層または製造途中の積層構造物２０の温度を測定できるものであれば特に限定されない。

複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂは、金属層または製造途中の積層構造物２０の温度を調整するためのものである。複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂは、その先端が金属層または製造途中の積層構造物２０と接触することで、任意の金属層または製造途中の積層構造物２０の任意領域の温度を調整できる。温度調整プローブ６Ａ、６Ｂは、金属層または製造途中の積層構造物２０を加温してその温度を調整するものでもよく、金属層または製造途中の積層構造物２０を冷却してその温度を調整するものでもよい。

複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂのうち、一部の温度調整プローブ６Ａは造形ステージ４のパウダーベッド８を構成する部分の内部に埋め込まれ、パウダーベッド８内で伸縮自在に設置されている。そのため、温度調整プローブ６Ａによって金属層または製造途中の積層構造物２０の温度を調整したときに、レーザ照射前の粉末層の形成、金属層の形成および積層構造物２０の造形の妨げになりにくい。
複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂのうち、温度調整プローブ６Ｂはチャンバー３内で伸縮自在に設置されている。温度調整プローブ６Ｂはチャンバー３内の雰囲気ガスの温度を加温または冷却して調整できる。
各温度調整プローブは、金属層または製造途中の積層構造物２０を加温または冷却できるものであれば特に限定されない。

複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂおよび複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂは、図示略の制御部と電気的に接続されている。そのため、複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂと、複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂの動作と組み合わせることで、任意の金属層または製造途中の積層構造物２０の任意領域の冷却速度を制御できる。つまり、レーザ照射後の金属層や製造途中の積層構造物２０の任意領域に対し、複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂと、複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂが接触し、測温プローブで測定した温度に基づいて、温度調整プローブによって金属層や積層構造物２０の冷却速度を制御できる。

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。ＣＡＭはＣｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの略語である。

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、各金属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２（レーザ発振機１４および光学系１５）を制御し、レーザの出力、走査速度、走査間隔および照射位置を調整できる。

エネルギー線を照射して形成した金属層を複数重ねて積層構造物を得るときの製造装置１Ａの動作について、図１を参照して説明する。
レーザの照射前においては、図示略のシールドガス供給管からチャンバー３内にシールドガスを供給する。第１の昇降台１１、第２の昇降台１２、第３の昇降台１３の下側の空洞部にも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良好に充満する。

製造装置１Ａにおいては、金属粉末にエネルギー線を照射して形成した金属層を複数重ねて積層構造物が製造される。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、金属層の形成、金属層の積層が任意の回数繰り返される。
以下、一例として、パウダーベッドの形成、金属層の形成、金属層の積層をｎ回繰り返してｎ層の金属層を有する積層構造物を製造する場合を一例として説明する。ここでｎは自然数である。

製造装置１Ａにおいては、照射部２がレーザをパウダーベッド８の金属粉末に照射して照射位置の金属粉末Ｍを焼結または溶融固化する。そのため、金属粉末の焼結物の金属層または金属粉末の溶融固化物の金属層をパウダーベッド８に任意の形状に形成できる。
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、すなわち最下層の金属層は、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。次いで、１層目の金属層の上側に金属層が順次積層される。

ｋ層目のパウダーベッドの形成においては、貯留部７の金属粉末がブレード１０によってｋ－１層目の金属層の表面に供給され、積層厚さ△ｈのパウダーベッドがｋ－１層目の金属層の上側に形成される。ここで、ｋは２以上ｎ以下の自然数である。
この積層厚さ△ｈのパウダーベッドにレーザを照射し、ｋ層目の金属層を形成する。ｋ層目の金属層の形成においては、レーザ走査によって粉末層が焼結または溶融固化する。その結果、ｋ－１層目の金属層の上側にｋ層目の金属層が積層される。

このようにパウダーベッドの形成、金属層の形成および積層を繰り返すことで、金属層を複数重ねて積層構造物を製造できる。ｎ層目の金属層の形成および積層が終わると、ｎ層の金属層を有する積層構造物が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。

次に、積層構造物の冷却速度の制御をするときの製造装置１Ａの動作について、図２、図３を参照して説明する。図２において、説明の簡略化のために照射部２０の図示を省略する。
図２、図３に示すように、複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂが伸長し、それぞれのプローブの先端が製造途中の積層構造物２０と接触している。また、複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂが伸長し、それぞれのプローブの先端が製造途中の積層構造物２０と接触している。
図３に示すように、温度調整プローブ６Ａ、６Ｂは、管路６ａおよび管路６ｂからなる二重管構造を有し、内側の管路６ａにガスが供給され、プローブの先端部分で内側の管路６ａと外側の管路６ｂとが連通している。内側の管路６ａ内に供給されたガスは、プローブの先端で金属層等を加温または冷却し、外側の管路６ｂ内に流れ、プローブ外に排出される。ここで、この排出ガスがシールドガスとして利用可能であるなら、当該排出ガスは図示略のシールドガス供給管を経由してチャンバー３内に供給されてもよい。

製造装置１Ａは、制御部の指示にしたがい、測温プローブで測定した温度に基いて温度調整プローブを制御する。温度調整プローブは制御部の指示にしたがい、金属層または製造途中の積層構造物２０を加温または冷却し、任意の金属層または製造途中の積層構造物２０の任意領域の冷却速度を制御する。
測温プローブ５Ａおよび温度調整プローブ６Ａは、造形ステージ４のパウダーベッド８を構成する部分の内部に埋め込まれている。そのため、測温プローブ５Ａおよび温度調整プローブ６Ａによって、金属層または製造途中の積層構造物２０の冷却速度を制御したとき、レーザ照射前の粉末層の形成、金属層の形成および積層構造物２０の造形の妨げになりにくい。

（作用効果）
以上説明した積層構造物の製造装置１Ａは、金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を測定する１以上の測温プローブ５Ａ、５Ｂと、金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を調整する１以上の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂとを備える。そのため、測温プローブ５Ａ、５Ｂおよび温度調整プローブ６Ａ、６Ｂを組み合わせることで、任意の金属層または製造途中の積層構造物の任意領域において冷却速度を促進する制御が可能となる。
加えて、積層構造物の製造装置１Ａにおいては、複数の測温プローブ５Ａ、５Ｂのうちの測温プローブ５Ａが造形ステージ４のパウダーベッド８を構成する部分の内部に埋め込まれ、また、複数の温度調整プローブ６Ａ、６Ｂのうち温度調整プローブ６Ａが造形ステージ４のパウダーベッド８を構成する部分の内部に埋め込まれている。そのため、測温プローブ５Ａおよび温度調整プローブ６Ａによって冷却速度を制御すれば、レーザ照射前の粉末層の形成、金属層の形成および積層構造物の造形の妨げとならない。

また、製造装置１Ａを用いる積層構造物の製造方法によれば、造形ステージ４のパウダーベッド８を構成する部分の内部に埋め込まれた測温プローブ５Ａおよび温度調整プローブ６Ａを用いることで、任意領域の金属層または製造途中の積層構造物２０の冷却速度を制御できる。そのため、粉末層の形成、金属層の形成および積層構造物の造形を妨げることなく、任意の積層領域において冷却速度を促進する制御が可能となり、冷却速度の制御によって所望の金属組織を発現させやすくなる。

次に、温度調整プローブの一例について、図４、５を参照して説明する。
温度調整プローブは、充分な冷却速度を実現する点から、図４に一例を示すようなジュール・トムソン効果を利用して金属層または製造途中の積層構造物の温度を調整するものや、液化ガスを利用して金属層または製造途中の積層構造物を冷却するものが好ましい。これらの温度調整プローブの使用により、冷却によって目標温度に到達する時間が相対的に短くなり、より短時間で目標温度に到達させないと発現しないような金属組織を得るための制御ができる。また、冷却速度を促進することでより高い冷却速度でしか発現しないような金属組織を得るための制御もできる。

図４に示す温度調整プローブ６は、アルゴンの供給源２１およびヘリウムの供給源２２と接続されている。温度調整プローブ６内には、図示略のノズルが設けられており、ジュール・トムソン効果を用いてプローブの先端の温度を加温または冷却して制御する。
例えば、冷却処理をするためには、アルゴンガスを大気圧よりも高圧状態とし、高圧のアルゴンガスを図示略のノズルによって大気圧まで減圧し、ジュール・トムソン効果によってアルゴンガスを瞬時に冷却できる。また、加温処理をする場合には、アルゴンガスの供給を停止し、かつ、ヘリウムガスを大気圧よりも高圧状態とし、高圧のヘリウムガスを図示略のノズルによって大気圧まで減圧し、ジュール・トムソン効果によってヘリウムガスを瞬時に加熱できる。
このように、図４に示す温度調整プローブ６によれば、ジュール・トムソン効果によるガスの温度変化を利用することで、急速な加温処理や急速な冷却処理が可能である。ただし、ジュール・トムソン効果を利用できるものであればよく、図４の形態に特に限定されない。また、ジュール・トムソン効果を得るためのガスも特に限定されない。

図５に示す温度調整プローブ６は、液化ガスの供給源２３と接続されている。図５に示す温度調整プローブ６によれば、液化ガスの低温特性を利用してプローブ自体を冷却することで急速な冷却処理が可能である。
図４、図５に一例を示したようなガスを利用した温度調整６によれば、ジュール・トムソン効果または液化ガスの低温特性を利用でき、電力を利用する冷却機構を比べて消費電力を削減できるという利点もある。

図６は、積層構造物の製造装置の他の一例の概略を示す模式図である。図６において、説明の簡略化のために照射部２０の図示を省略している。
図６に示す製造装置１Ｂは、温度調整プローブ６から排出されるガスが流れる排出ラインＬ１と、チャンバー３内に供給されるシールドガスが流れるシールドガス供給ラインＬ２とが接続されている点で製造装置１Ａと異なる。
図６に示す製造装置１Ｂによれば、積層構造物の冷却速度制御の目的に加えて、温度調整プローブにガスを供給してチャンバー３に導入するガスの温度を調整し、チャンバー３内の雰囲気ガスＧを加温または冷却できる。そのため、チャンバー３内の雰囲気ガスＧを介して積層構造物の冷却速度を制御できる。この場合、シールドガスをチャンバー３外に排出するための排気ラインＬ３をチャンバー３に接続する。
加えて、図６に示す製造装置１Ｂによれば、ラインＬ４から温度調整プローブ６内に供給されたガスは温度調整プローブ６内を通過した後、チャンバー３内に戻すことができ、効率的にガスを利用できる。

図７は、積層構造物の製造装置の他の一例の概略を示す模式図である。
図７に示す製造装置１Ｃは、造形ステージ４の貯留部７を構成する部分の内部に、複数の測温プローブ５Ａおよび複数の温度調整プローブ６Ａが埋め込まれている点で製造装置１Ａと異なる。
図８は、図７の製造装置１Ｃの造形ステージ４の貯留部７を説明するための示す模式図である。図８に示すように、造形ステージ４の貯留部７を構成する部分の内部に測温プローブ５Ａおよび温度調整プローブ６Ａが複数埋め込まれている。各測温プローブ５Ａおよび各温度調整プローブ６Ａの形状は、何ら限定されず、造形ステージ４や貯留部７を構成する部材（例えば、第１の昇降台１１）や壁面の形状に合わせて変更可能である。

製造装置１Ｃによれば、貯留部７のレーザの照射前の金属粉末Ｍ’を加温または冷却してその温度を調整できる。このように温度が調整された金属粉末Ｍ’をブレード１０でパウダーベッド８に供給することで、任意の金属層の温度を調整して冷却速度を制御できる。この場合においても、測温プローブ５Ａおよび温度調整プローブ６Ａによって金属層または製造途中の積層構造物の冷却速度を制御したとき、レーザ照射前の粉末層の形成、金属層の形成および積層構造物の造形の妨げになりにくい。

図９は、積層構造物の製造装置の他の一例の概略を示す模式図である。図９において、説明の簡略化のために照射部２０の図示を省略している。
図９に示す製造装置１Ｄは、貯留部７に埋め込まれた温度調整プローブ６Ａから排出されるガスが流れる排出ラインＬ１と、チャンバー３内に供給されるシールドガスが流れるシールドガス供給ラインＬ２とが接続されている点で製造装置１Ｃと異なる。

製造装置１Ｄによれば、貯留部７のレーザの照射前の金属粉末Ｍ’を加温または冷却してその温度を調整できる。このように温度が調整された金属粉末Ｍ’をブレード１０でパウダーベッド８に供給することで、任意の金属層の温度を調整して冷却速度を制御できる。
また、温度調整プローブ６Ａから排出されるガスと、チャンバー３に供給されるシールドガスとを混合できる。そのため、温度調整プローブ６Ａにガスを供給してチャンバー３に導入するガスの温度を調整し、チャンバー３内の雰囲気ガスを加温または冷却できる。そのため、チャンバー３内の雰囲気ガスを介して積層構造物の冷却速度を制御できる。
製造装置１Ｄにおいても、ラインＬ４から温度調整プローブ６Ａに供給されたガスは、プローブ内を通過した後、チャンバー３内に戻すことができ、効率的にガスを利用できる。

本実施形態に係る積層構造物の製造装置においては、ＰＢＦ方式、ＤＥＤ方式、ＷＡＡＭ（Ｗｉｒｅ Ａｒｃ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）方式のいずれも採用可能である。これらの方式のいずれを採用した場合であっても、本実施形態においては、複数の測温プローブの少なくとも１つおよび複数の温度調整プローブの少なくとも１つが、造形ステージのパウダーベッドを構成する部分の内部に埋め込まれている。そのため、冷却速度の制御が粉末層の形成、金属層の形成および積層構造物の造形の妨げとなりにくい。

図１０、図１１は、ＤＥＤ方式の製造装置における温度調整プローブ、測温プローブの動作を説明するための示す模式図である。
ＤＥＤ方式においては、レーザＬを照射した部分に金属粉末Ｍ_Ｓを噴射し、金属層を形成する。例えば、図１０に示すように金属層の形成および積層を行った後、図１１に示すように測温プローブ５および温度調整プローブ６を伸長させ、任意の金属層または製造途中の積層構造物２０の任意領域の冷却速度を制御してもよい。
図１０、１１に示す一例のように測温プローブ５および温度調整プローブ６は一つの装置３０に一体的に装着してもよい。

図１２、図１３は、ＷＡＡＭ方式の製造装置における温度調整プローブ、測温プローブの動作を説明するための示す模式図である。
ＷＡＡＭ方式においては、金属ワイヤーフィーダー２５によってを金属ワイヤーＭ_ｗを供給しながら、トーチ２６によってアーク溶接する。例えば、図１２に示すように、金属層の形成および積層を行った後、図１３に示すように測温プローブ５および温度調整プローブ６を伸長させ、任意の金属層または製造途中の積層構造物２０の任意領域の冷却速度を制御してもよい。

本実施形態においては、金属の冷却方法としてチャンバー３内の雰囲気ガスにより溶融前の金属を冷却することも可能である。
ＤＥＤ方式の場合、供給する金属粉末のストリーム状の経路内や金属粉末のタンク内に温度調整プローブのような温度調整機構を設けることで、供給する金属粉末を加温または冷却することができる。例えば、冷却後の金属粉末を溶融部に吹き付けることで、製造途中の積層構造物の最表面の金属層を冷却することが可能である。
ＷＡＡＭ方式の場合、供給する金属ワイヤーの経路内に温度調整プローブのような温度調整機構を設けることで、供給する金属ワイヤーを加温または冷却することができる。例えば、冷却後の金属ワイヤーを使用することで、製造途中の積層構造物の最表面の金属層を冷却することが可能である。
このようにして製造途中の積層構造物の最表面の金属層の温度を調整することで、任意の金属層または製造途中の積層構造物の任意領域の冷却速度を制御できる。

本実施形態に係る積層構造物の製造装置によれば、従来技術では実現できなかったような急速な冷却速度を実現できる。したがって、より短時間（瞬時）の冷却や高い冷却速度でしか発現しないような金属組織を得るための制御ができる。
例えばチタン合金系の金属を用いたとき、急速な冷却効果による結晶組織の微細化による降伏応力、硬度等の異方性を付与できる。他にも、ステンレス系の金属を用いたとき、冷却速度を増加させて結晶組織の析出物の生成を促進し、優れた耐食性を付与し得る。また、金属材料の酸化反応を抑制することもできる。

１…積層構造物の製造装置、２…照射部、３…チャンバー、４…造形ステージ、５…ガスフロー発生部、６…温度調整プローブ、７…貯留部、８…パウダーベッド、９…回収部、１０…ブレード、１１…第１の昇降台、１２…第２の昇降台、１３…第３の昇降台、１４…レーザ発振機、１５…光学系、Ｍ…金属粉末。

Claims (5)

1. 金属粉末にエネルギー線を照射して形成した金属層を複数重ねて積層構造物を得る製造装置であって、
   エネルギー線の照射源と、
   チャンバーと、
   前記チャンバー内で上下方向に移動可能な金属粉末のパウダーベッドを有する造形ステージと、
   前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を測定する１以上の測温プローブと、
   前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を調整する１以上の温度調整プローブと、
   を備え、
   前記測温プローブの少なくとも１つおよび前記温度調整プローブの少なくとも１つが、前記造形ステージの前記パウダーベッドを構成する部分の内部に埋め込まれ、
   前記温度調整プローブが、ジュール・トムソン効果を利用して前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を調整し、
   前記温度調整プローブから排出されるガスが流れる排出ラインと、前記チャンバー内に供給されるシールドガスが流れるシールドガス供給ラインとが接続されている、積層構造物の製造装置。
2. 金属粉末にエネルギー線を照射して形成した金属層を複数重ねて積層構造物を得る製造装置であって、
   エネルギー線の照射源と、
   チャンバーと、
   前記チャンバー内で上下方向に移動可能な金属粉末のパウダーベッドを有する造形ステージと、
   前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を測定する１以上の測温プローブと、
   前記金属層または製造途中の前記積層構造物の温度を調整する１以上の温度調整プローブと、
   を備え、
   前記測温プローブの少なくとも１つおよび前記温度調整プローブの少なくとも１つが、前記造形ステージの前記パウダーベッドを構成する部分の内部に埋め込まれ、
   前記温度調整プローブが、液化ガスを利用して前記金属層または製造途中の前記積層構造物を冷却し、
   前記温度調整プローブから排出されるガスが流れる排出ラインと、前記チャンバー内に供給されるシールドガスが流れるシールドガス供給ラインとが接続されている、積層構造物の製造装置。
3. 前記造形ステージが、エネルギー線が照射される前の金属粉末を貯留する貯留部をさらに有し、
   前記造形ステージの前記貯留部を構成する部分の内部に、前記温度調整プローブの少なくとも１つが埋め込まれている、請求項１または２に記載の積層構造物の製造装置。
4. 前記温度調整プローブの少なくとも１つが、その先端が前記チャンバー内に配置されるように伸縮自在に設置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の積層構造物の製造装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の積層構造物の製造装置を用いて積層構造物を製造する方法であり、
   前記造形ステージの前記パウダーベッドを構成する部分の内部に埋め込まれた前記測温プローブおよび前記温度調整プローブを用いることで、前記金属層または製造途中の前記積層構造物の冷却速度を制御する、積層構造物の製造方法。

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