JP7086303B1

JP7086303B1 - 積層造形物および積層造形物の製造方法

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Publication number: JP7086303B1
Application number: JP2021544679A
Authority: JP
Inventors: 崇史藤井; 聡史服部; 信行鷲見
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Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-06-17
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Abstract

第１金属材料からなる第１金属層（２３０）と、第２金属材料からなる第２点状ビード（２４１）によって構成される第２金属層（２４０）と、が積層された積層造形物であって、第１金属層（２３０）と第２金属層（２４０）との間に、中間層（２５０）を備える。中間層（２５０）は、第１金属材料によって構成される構造物である第１構造部（２５１）と、第２金属材料によって構成される構造物である第２構造部（２５２）と、を有し、第１構造部（２５１）と第２構造部（２５２）とが嵌合した単位構造部（２５３）が、第１金属層（２３０）および第２金属層（２４０）の積層方向に垂直な面内に並進対称で配置される。中間層（２５０）は、第１構造部（２５１）と第２構造部（２５２）との接合界面に金属間化合物を含む金属間化合物層を有する。

Description

本開示は、異なる種類の金属材料を積層造形によって製造した積層造形物および積層造形物の製造方法並びに積層造形装置に関する。

従来、３次元の造形物を製造する技術である付加製造（Additive Manufacturing：ＡＭ）と呼ばれる技術を用いて、異なる種類の金属を積層させて３次元の造形物である積層造形物を形成する積層造形方法が知られている。積層造形方法では、一般的に、第１金属で構成される第１金属層上に、レーザ、電子ビームなどのエネルギビームを用いて溶融池を形成する。そこへ、第１金属とは異なる第２金属を線状に供給して、溶融した後に固化することで第２金属層を形成する。これによって積層造形物が得られる。しかし、第１金属および第２金属の組合せによっては、脆弱な金属間化合物が第１金属層と第２金属層との接合界面に発生し、接合界面における接合強度が低下することがある。

そこで、特許文献１では、状態図を参考にして第１金属と第２金属とが金属間化合物を形成せず、固溶体を形成する組合せを予め選定して、積層造形物を形成する積層造形方法が開示されている。また、特許文献１に記載の積層造形方法では、第１金属からなる第１金属層と第２金属からなる第２金属層との界面に、第１金属層と第２金属層とを機械的に結合する結合部を、同一直線上ではない３箇所以上の位置に形成している。結合部は、積層方向を含む断面がＴ字状を有する第１金属からなる第１構成部と、第１構成部を覆う第２金属からなる第２構成部と、によって形成される。

特開２０２０－４１２０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、第１金属と第２金属との界面で固溶体が形成するような組合せを予め選定しているため、２元系の組合せのみについてしか選定することができない。また、固溶体を形成する組合せは、実態としては純金属同士に限られてしまう。このように、汎用される実用金属同士の組合せにおいて、純金属同士を対象とすることは少なく、実用上は２元系以上の合金を用いることが常であるために、特許文献１に記載の技術は汎用性に乏しいという問題があった。また、特許文献１に記載の技術では、第１金属層と第２金属層との界面の第１金属層上の同一直線上ではない３箇所以上の位置に結合部が設けられるため、第１金属層と第２金属層とが離間する方向に力が作用した場合に、結合部に応力が集中してしまう。このため、第１金属層と第２金属層との界面の全体にわたって一様な接合強度を確保することができないという問題もあった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、第１金属層を構成する第１金属と第２金属層を構成する第２金属との組み合わせが従来に比して限定されずに、第１金属層と第２金属層との界面において一様な接合強度を確保することができる積層造形物を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示は、第１金属材料からなる第１点状ビードによって構成される第１金属層と、第２金属材料からなる第２点状ビードによって構成される第２金属層と、が積層された積層造形物であって、第１金属層と第２金属層との間に、中間層を備える。中間層では、第１構造部と第２構造部とを有する単位構造部が、第１金属層および第２金属層の積層方向に垂直な面内に並進対称で配置される。第１構造部は、第１点状ビードによって構成され、第２金属層側に突出するとともに、第２金属層側の先端が積層方向に垂直な方向に突出する構造物である。第２構造部は、第２点状ビードによって構成され、第１金属層側に突出するとともに、第１金属層側の先端が積層方向に垂直な方向に突出する構造物である。単位構造部は、第１構造部の先端と第２構造部の先端とが互いに噛み合うように嵌合する。中間層は、第１構造部と第２構造部との接合界面に金属間化合物を含む金属間化合物層を有する。第１構造部の積層方向に垂直な方向に突出した第１点状ビードと、第２構造部の積層方向に垂直な方向に突出した第２点状ビードと、は、積層方向に垂直な面内における位置が同じになるように積層方向に重ねて配置される。

本開示にかかる積層造形物は、第１金属層を構成する第１金属と第２金属層を構成する第２金属との組み合わせが従来に比して限定されずに、第１金属層と第２金属層との界面において一様な接合強度を確保することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる積層造形装置の構成の一例を模式的に示す図実施の形態１にかかる積層造形装置の制御部のハードウェア構成の第１の例を示すブロック図実施の形態１にかかる積層造形装置の制御部のハードウェア構成の第２の例を示すブロック図線状ビードで形成される造形物の一例を模式的に示す拡大図点状ビードで形成される造形物の一例を模式的に示す拡大図実施の形態１に係る積層造形物の構成の一例を示す断面図実施の形態１に係る積層造形物の構成の一例を示す一部斜視図実施の形態１に係る積層造形物の構成の一例を示す一部断面図実施の形態１に係る積層造形物の中間層の構成の一例を示す図実施の形態１に係る積層造形物の中間層の構成の他の例を示す図実施の形態１に係る積層造形物における第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面の一例を模式的に示す図実施の形態１に係る積層造形物における第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面における成分の状態の一例を示す図Ａｌ－Ｆｅの状態図実施の形態１に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図実施の形態１に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図実施の形態１に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図実施の形態１に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図実施の形態１に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図従来技術による積層造形物における第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面の一例を模式的に示す図従来技術による第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面における成分の状態の一例を示す図実施の形態２に係る積層造形物の構成の一例を示す一部断面図実施の形態３に係る積層造形物における点状ビードの配置方法の一例を示す図実施の形態４に係る積層造形物の構成の一例を示す断面図実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図

以下に、本開示の実施の形態にかかる積層造形物および積層造形物の製造方法並びに積層造形装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる積層造形装置の構成の一例を模式的に示す図である。積層造形装置１は、ビームの照射によって溶融させた材料を加工対象物１００の付加対象面１１０へ付加する付加加工を繰り返すことによって、３次元の造形物である積層造形物２２０を製造する、ダイレクトエネルギデポジション（Directed Energy Deposition：ＤＥＤ）方式の積層造形装置である。ステージ１１上に載置されるベース材１２の積層造形物２２０が形成される平面内で互いに直交する２つの軸をＸ軸およびＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸の両方に垂直な軸をＺ軸とする。

積層造形装置１は、加工対象物１００を載置するステージ１１と、図示しないステージ駆動部と、を備える。加工対象物１００は、ベース材１２と、ベース材１２上に造形される積層造形物２２０と、を含む。ベース材１２は、ステージ１１に載置される。加工対象物１００のビードが付加される面は付加対象面１１０と称される。図１に示すベース材１２は、板状である。ベース材１２は、板状以外の形状であってもよい。

積層造形装置１は、加工点１１１にレーザビームＬを照射して加工材料であるワイヤＷを溶融させる加工ヘッド２１と、加工ヘッド２１を移動させるヘッド駆動部２２と、を有する。加工ヘッド２１は、加工点１１１にレーザビームＬを照射するビームノズル２３と、加工点１１１にワイヤＷを供給する２以上のワイヤノズル３１と、加工点１１１にシールドガスＧを噴射するガスノズル４１と、を有する。加工点１１１は、付加対象面１１０上のレーザビームＬの照射位置であり、加工材料が付加される領域である。加工点１１１は、付加加工処理中において、加工経路に沿って移動される。

ビームノズル２３は、加工材料を溶融させる熱源であるレーザビームＬを、加工対象物１００の加工点１１１へ向けて出射する。加工材料を溶融させるためのエネルギ源は、レーザビームＬ以外に電子ビーム、アーク放電などであってもよい。ワイヤノズル３１は、加工対象物１００におけるレーザビームＬの照射位置へ向けてワイヤＷを進行させる。すなわち、ワイヤノズル３１は、加工対象物１００の付加対象面１１０の加工点１１１に向けてワイヤＷを供給する。

なお、積層造形装置１は、ワイヤノズル３１からワイヤＷを加工点１１１に供給する代わりに、ノズルから加工材料である粉末金属を噴出させて造形する方式を採用することもできる。加工材料として粉末金属を用いる場合、シールドガスＧの負圧を使う方式、粉末金属を搬送する粉末搬送チューブから造形タイミングに加圧噴射する方式などが使用可能である。この場合、粉末金属を噴出するノズルは、噴出される粉末金属の柱状の中心軸が、加工点１１１に供給されるワイヤＷの中心軸に対応するように配置される。ワイヤＷおよび柱状に噴出される粉末金属は、ノズルから加工点１１１に供給される柱状の加工材料を構成する。

ガスノズル４１は、積層造形物２２０の酸化抑制およびビードの冷却のためのシールドガスＧを付加対象面１１０の加工点１１１へ向けて噴出する。ビームノズル２３、ワイヤノズル３１およびガスノズル４１は、加工ヘッド２１に固定されることにより、互いの位置関係が一意に定められている。すなわち、加工ヘッド２１では、ビームノズル２３、ワイヤノズル３１およびガスノズル４１の相対位置関係が固定されている。

ヘッド駆動部２２は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向へ加工ヘッド２１を移動させる。ヘッド駆動部２２は、Ｘ軸方向への加工ヘッド２１の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｙ軸方向への加工ヘッド２１の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｚ軸方向への加工ヘッド２１の移動のための動作機構を構成するサーボモータとを有する。ヘッド駆動部２２は、３軸のそれぞれの方向の並進運動を可能とする動作機構である。図１では、各サーボモータの図示を省略している。積層造形装置１は、ヘッド駆動部２２により加工ヘッド２１を移動させることで、付加対象面１１０におけるレーザビームＬの照射位置を移動させることができる。

図１に示す加工ヘッド２１は、ビームノズル２３からＺ軸方向へレーザビームＬを進行させる。ワイヤノズル３１は、ＸＹ面内においてビームノズル２３とは離れた位置に設けられており、Ｚ軸に対して斜めの方向へワイヤＷを進行させる。すなわち、ワイヤノズル３１は、ビームノズル２３から出射されるレーザビームＬと非同軸にワイヤＷを進行させる。ワイヤノズル３１は、ワイヤＷが所望の位置に供給されるようにワイヤＷの進行を制限するために用いられる。

加工ヘッド２１において、ガスノズル４１は、ＸＹ面内においてビームノズル２３の外周側にビームノズル２３と同軸に設けられており、ビームノズル２３から出射されるレーザビームＬの中心軸に沿うようにシールドガスＧを噴出する。すなわち、ビームノズル２３とガスノズル４１とは、互いに同軸上に配置されている。

なお、図示していないが、ワイヤノズル３１は、ビームノズル２３と同軸であってもよい。この場合、中心にワイヤノズル３１が配置され、ワイヤＷを中心としてリング状に、あるいはワイヤＷの中心を複数の点が囲むように、それぞれガスノズル４１のガス出射口およびビームノズル２３のレーザ射出口が配置された構成が考えられる。このとき、ビームノズル２３から出射されるリング状または複数の点のレーザビームＬは、加工点１１１付近でワイヤＷが焦点となるように構成される。

積層造形装置１は、加工ヘッド２１のビームノズル２３から照射されるレーザビームＬを発振するレーザ発振器２４と、加工ヘッド２１のガスノズル４１にシールドガスＧを供給するガス供給部４２と、をさらに有する。レーザ発振器２４と加工ヘッド２１との間は、ファイバケーブル２５で接続されている。レーザ発振器２４が発生させたレーザビームＬは、ファイバケーブル２５を介してビームノズル２３へと伝搬される。ガス供給部４２と加工ヘッド２１との間は、配管４３で接続されている。シールドガスＧは、ガス供給部４２から配管４３を通ってガスノズル４１へ供給される。

レーザ発振器２４とファイバケーブル２５とビームノズル２３とは、ワイヤＷを溶融させるレーザビームＬをワイヤＷの中心軸と非同軸に付加対象面１１０へ照射する照射部を構成している。ガス供給部４２と配管４３とガスノズル４１とは、加工点１１１へシールドガスＧを噴出するガス供給機構を構成している。

積層造形装置１は、ワイヤスプール３３と、回転モータ３４と、をさらに有する。ワイヤスプール３３は、加工材料の供給源であり、ワイヤＷが巻きつけられている。回転モータ３４は、ワイヤスプール３３を回転させる。回転モータ３４の一例は、サーボモータである。回転モータ３４の駆動に伴ってワイヤスプール３３が回転することによって、ワイヤＷはワイヤスプール３３から繰り出される。ワイヤスプール３３から繰り出されたワイヤＷは、ワイヤノズル３１を通されて、加工点１１１に供給される。回転モータ３４とワイヤスプール３３とワイヤノズル３１とは、ワイヤ供給部３２を構成している。

実施の形態１では、複数種類の金属を積層させるので、積層造形装置１は、複数のワイヤ供給部３２を有する。ただし、図１には、１つのワイヤ供給部３２しか図示していない。以下では、２種類のワイヤＷを用いた造形方法を例に挙げる。つまり、積層造形装置１が２つのワイヤ供給部３２を備える場合を例に挙げる。この場合、一方のワイヤ供給部３２は、第１金属材料からなる第１ワイヤを供給する第１ワイヤノズルを有し、他方のワイヤ供給部３２は、第２金属材料からなる第２ワイヤを供給する第２ワイヤノズルを有する。第１金属材料および第２金属材料は、単一の金属元素からなる金属でもよいし、複数の金属の化合物からなる合金でもよい。また、第１金属材料および第２金属材料は、金属間化合物を形成する材料の組み合わせが選択される。なお、実施の形態１では、説明の簡略化のため、第１金属材料および第２金属材料の強度は同じであるとする。

積層造形装置１は、ステージ１１を回転させる回転機構１３を備える。回転機構１３は、Ｘ軸を中心とするステージ１１の回転と、Ｚ軸を中心とするステージ１１の回転と、を可能とする動作機構である。なお、Ｘ軸ではなく、Ｙ軸を中心に回転させるようにしてもよい。回転機構１３は、Ｘ軸またはＹ軸を中心にステージ１１を回転させるための動作機構を構成するサーボモータと、Ｚ軸を中心にステージ１１を回転させるための動作機構を構成するサーボモータと、を有する。回転機構１３は、２軸のそれぞれを中心とする回転運動を可能とする動作機構である。図１では、各サーボモータの図示を省略している。積層造形装置１は、回転機構１３によりステージ１１を回転させることで、加工対象物１００の姿勢または位置を変更することができる。回転機構１３を用いることで、テーパ形状を有する複雑な形状も造形することができる。積層造形装置１は、ステージ１１の回転機構１３と上記したヘッド駆動部２２とを合わせて、５軸の駆動が可能な構成となっている。

積層造形装置１は、加工プログラムに従って積層造形装置１を制御する制御部５１を備える。加工プログラムは、ステージ１１に置かれた加工対象物１００に対して加工ヘッド２１を移動させる移動経路を指定する。

制御部５１は、レーザ発振器２４とワイヤ供給部３２とガス供給部４２とを制御し、ワイヤＷが溶融して形成される複数の点状のビードにより積層造形物２２０を造形するための制御を担う。制御部５１は、例えば数値制御装置である。制御部５１は、ヘッド駆動部２２へ移動指令を出力することによって、ヘッド駆動部２２の駆動を制御して、加工ヘッド２１を移動させる。制御部５１は、ビーム出力の条件に応じた指令をレーザ発振器２４へ出力することによって、レーザ発振器２４によるレーザ発振を制御する。

制御部５１は、ワイヤＷの供給量の条件に応じた指令を回転モータ３４へ出力することによって、回転モータ３４の駆動を制御する。制御部５１は、回転モータ３４の駆動を制御することによって、ワイヤスプール３３から照射位置へ向かうワイヤＷの速度を調整する。つまり、制御部５１は、複数のワイヤ供給部３２におけるワイヤＷの供給量を制御する。

制御部５１は、シールドガスＧの供給量の条件に応じた指令をガス供給部４２へ出力することによって、ガス供給部４２からガスノズル４１へのシールドガスＧの供給量を制御する。制御部５１は、回転機構１３へ回転指令を出力することによって、回転機構１３の駆動を制御する。すなわち、制御部５１は、各種指令を出力することによって、積層造形装置１の全体を制御する。

制御部５１は、ヘッド駆動部２２と回転機構１３とを連動させて、加工ヘッド２１とステージ１１とを動かすことで、加工点１１１を変化させることができ、所望の形状の積層造形物２２０を得ることができる。

図２は、実施の形態１にかかる積層造形装置の制御部のハードウェア構成の第１の例を示すブロック図である。制御部５１は、積層造形装置１の制御を実行するためのプログラムである制御プログラムを用いて実現される。

制御部５１は、各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）５０１と、データ格納領域を含むＲＡＭ（Random Access Memory）５０２と、不揮発性メモリであるＲＯＭ（Read Only Memory）５０３と、外部記憶装置５０４と、制御部５１への情報の入力および制御部５１からの情報の出力のための入出力インタフェース５０５とを有する。図２に示す各部は、バス５０６を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ５０１は、ＲＯＭ５０３および外部記憶装置５０４に記憶されているプログラムを実行する。制御部５１による、積層造形装置１の全体の制御は、ＣＰＵ５０１を使用して実現される。

外部記憶装置５０４は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）である。外部記憶装置５０４は、制御プログラムと各種データとを記憶する。ＲＯＭ５０３には、制御部５１であるコンピュータまたはコントローラの基本となる制御のためのプログラムであるＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）あるいはＵＥＦＩ（Unified Extensible Firmware Interface）といったブートローダであって、ハードウェアを制御するソフトウェアまたはプログラムが記憶されている。なお、制御プログラムは、ＲＯＭ５０３に記憶されてもよい。

ＲＯＭ５０３および外部記憶装置５０４に記憶されているプログラムは、ＲＡＭ５０２にロードされる。ＣＰＵ５０１は、ＲＡＭ５０２に制御プログラムを展開して各種処理を実行する。入出力インタフェース５０５は、制御部５１の外部の装置との接続インタフェースである。入出力インタフェース５０５には、加工プログラムが入力される。また、入出力インタフェース５０５は、各種指令を出力する。制御部５１は、キーボードおよびポインティングデバイスといった入力デバイス、およびディスプレイといった出力デバイスを有してもよい。

制御プログラムは、コンピュータによる読み取りが可能とされた記憶媒体に記憶されたものであってもよい。制御部５１は、記憶媒体に記憶された制御プログラムを外部記憶装置５０４へ格納してもよい。記憶媒体は、フレキシブルディスクである可搬型記憶媒体、あるいは半導体メモリであるフラッシュメモリであってもよい。制御プログラムは、他のコンピュータあるいはサーバ装置から通信ネットワークを介して、制御部５１となるコンピュータあるいはコントローラへインストールされてもよい。

図３は、実施の形態１にかかる積層造形装置の制御部のハードウェア構成の第２の例を示すブロック図である。制御部５１の機能は、図３に示す専用のハードウェアである処理回路５０７により実現することもできる。処理回路５０７は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらの組み合わせである。制御部５１の機能は、一部を専用のハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

積層造形装置１は、加工点１１１を加工路に沿って移動させながら溶融したワイヤＷをベース材１２の付加対象面１１０に付加したビードから構成される複数の層を積層することで、金属材料の積層造形物２２０をベース材１２の付加対象面１１０に形成する。ビードは、溶融したワイヤＷが凝固することによって形成される物体であり、積層造形物２２０を構成する。

ここで、図１の積層造形装置１で得られる積層造形物２２０について説明する。積層造形装置１では、ビードを積層することによって積層造形物２２０を造形するが、線状のビードを用いる場合と、点状のビードを用いる場合と、がある。以下では、線状のビードは、線状ビードと称され、点状のビードは、点状ビードと称される。

図４は、線状ビードで形成される造形物の一例を模式的に示す拡大図である。加工ヘッド２１の軸移動中に動いている加工点１１１に対してレーザビームＬの照射と、ワイヤＷの送給と、が連続的に行われることで、単一の線状ビード２０１が形成される。そして、この処理を繰り返すことで、連続した線状ビード２０１で構成される積層造形物２２０を得ることができる。このように、線状ビード２０１は、ワイヤＷが溶融した後に凝固した線状の金属である。

図５は、点状ビードで形成される造形物の一例を模式的に示す拡大図である。加工ヘッド２１の軸移動を伴わずに加工点１１１は停止した状態でレーザビームＬの照射とワイヤＷの送給とが断続的に行われることで、単一の点状ビード２１１が形成され、その後、単一の点状ビード２１１の大きさ分の軸移動が行われる。そして、この処理を繰り返すことで、連続した点状ビード２１１で構成される積層造形物２２０を得ることができる。このように、点状ビード２１１は、ワイヤＷが溶融した後に表面張力によって玉状に凝固した金属である。点状ビード２１１の形成では、線状ビード２０１に比して、ワイヤＷの送り量が少なく、レーザビームＬの入熱を絞っているので、単一ビードが小さくなる。また、点状ビード２１１の形成時に、加工ヘッド２１を移動させないので、造形時に加工ヘッド２１を移動させる線状ビード２０１に比して形状精度が高い積層造形物２２０の製造を可能としている。

数ｍｍ程度のワイヤＷが使用される場合、レーザビームＬのビーム径にも依るが、ビーム径が数ｍｍである場合には、点状ビード２１１の径は数ｍｍ程度となる。

図６は、実施の形態１に係る積層造形物の構成の一例を示す断面図であり、図７は、実施の形態１に係る積層造形物の構成の一例を示す一部斜視図であり、図８は、実施の形態１に係る積層造形物の構成の一例を示す一部断面図である。なお、図７および図８は、図６の領域Ｒ１の部分を拡大した図である。また、図６から図８において、紙面の左右方向をＸ軸方向とし、上下方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸方向は、点状ビード２１１の積層方向となる。

図６に示されるように、積層造形物２２０は、第１金属材料からなる第１金属層２３０と、第２金属材料からなる第２金属層２４０と、が積層された構成を有する。つまり、積層造形物２２０は、異種の金属が積層された造形物である。図７に示されるように、第１金属層２３０は、第１金属材料の点状ビードである第１点状ビード２３１が３次元的に積層されたものであり、第２金属層２４０は、第２金属材料の点状ビードである第２点状ビード２４１が３次元的に積層されたものである。

実施の形態１では、積層造形物２２０は、第１金属層２３０と、第２金属層２４０と、第１金属層２３０と第２金属層２４０との間に配置される中間層２５０と、を備える。中間層２５０は、第１金属材料によって構成される構造物である第１構造部２５１と、第２金属材料によって構成される構造物である第２構造部２５２と、を有し、第１構造部２５１と第２構造部２５２とが嵌合した単位構造部２５３が、第１金属層２３０および第２金属層２４０の積層方向に垂直な面内に並進対称で、すなわち周期構造を持って配置される。図８に示される例では、第１構造部２５１は、第１金属層２３０から第２金属層２４０側に突出する第１点状ビード２３１によって構成される鉤状の構造物である。第２構造部２５２は、第２金属層２４０から第１金属層２３０側に突出する第２点状ビード２４１によって構成される鉤状の構造物である。単位構造部２５３で、第１構造部２５１の鉤状の構造と、第２構造部２５２の鉤状の構造とが嵌合する。単位構造部２５３は、第１金属層２３０および第２金属層２４０の積層方向に垂直な面内に並進対称で配置されている。

図８に示される例では、第１構造部２５１では、Ｚ軸方向に積層される２つの第１点状ビード２３１と、Ｚ軸方向に積層される第１点状ビード２３１のうち第２金属層２４０側の第１点状ビード２３１に接続され、Ｘ軸方向に突出するように配置される第１点状ビード２３１と、によって鉤状構造が構成される。

また、第２構造部２５２では、Ｚ軸方向に積層される２つの第２点状ビード２４１と、Ｚ軸方向に積層される第２点状ビード２４１のうち第１金属層２３０側の第２点状ビード２４１に接続され、Ｘ軸方向に突出するように配置される第２点状ビード２４１と、によって鉤状構造が構成される。

第１構造部２５１の鉤状構造と、第２構造部２５２の鉤状構造と、が互いに噛み合うように嵌合させることで、単位構造部２５３が形成される。この例では、単位構造部２５３のＹ軸方向の厚さは、１つ分の点状ビードとなる。この単位構造部２５３が、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に配置されたものが、中間層２５０となる。

なお、図７および図８に示される点状ビードは、上記したように数ｍｍ程度と小さく、最終製品形状でみたときには、第１構造部２５１と第２構造部２５２との嵌合部を明確に確認できる大きさにはない。このため、嵌合部の存在が、最終製品の形状および大きさに制約を与えることはない。

また、単位構造部２５３が、第１金属層２３０と第２金属層２４０との接合界面に並進対称で設けられるので、すなわち、嵌合部が接合界面に一様に存在するので、引張方向、すなわちＺ軸方向の接合強度は、第１金属層２３０と第２金属層２４０との接合界面で一様となる。図７および図８の第１構造部２５１および第２構造部２５２の嵌合形態は、一例であり、他の嵌合形態であってもよい。さらに、単位構造部２５３は、第１金属層２３０と第２金属層２４０との接合界面で並進対称で配置されることから、単位構造部２５３は中間層２５０に２つ以上含まれることになる。

図９は、実施の形態１に係る積層造形物の中間層の構成の一例を示す図である。図９では、単位構造部２５３がＹ軸方向に配置される際に、Ｙ軸方向の各位置における第１構造部２５１および第２構造部２５２のＸ軸方向の位置が同じである場合である。図９では、Ｙ軸方向の連続する位置における点状ビードが配置される面の様子が間隔をあけて示されている。ここでは、Ｎを０以上の整数として、Ｙ軸方向に連続するＮ面、Ｎ＋１面およびＮ＋２面が示されている。図９に示されるように、Ｎ面、Ｎ＋１面およびＮ＋２面における第１構造部２５１および第２構造部２５２のＸ軸方向の位置は一致している。すなわち、Ｎ面に示される構造が、Ｙ軸方向に連続して形成されることになる。

この場合には、Ｙ軸方向の各位置の面における第１構造部２５１と第２構造部２５２との組み合わせを単位構造部２５３と考えてもよいし、Ｙ軸方向に沿って形成される第１構造部２５１の全体と、Ｙ軸方向に沿って形成される第２構造部２５２の全体と、の組み合わせを単位構造部２５３と考えてもよい。後者の場合には、単位構造部２５３がＸ軸方向に並進対称で配置されることになる。

図１０は、実施の形態１に係る積層造形物の中間層の構成の他の例を示す図である。図１０では、第１構造部２５１および第２構造部２５２のＸ軸方向の位置が、Ｙ軸方向に沿ってずらして配置される。図１０では、Ｙ軸方向に１面移動するごとに、Ｘ軸方向の位置が１つずらされる場合を示しているが、Ｙ軸方向に予め定められた数の面移動するごとに、Ｘ軸方向の位置を任意の数ずらすようにしてもよい。この場合には、Ｙ軸方向に予め定められた数だけ第１構造部２５１および第２構造部２５２を配列したものが、単位構造部２５３となる。

つぎに、中間層２５０における第１金属材料の第１点状ビード２３１と第２金属材料の第２点状ビード２４１との接合界面部分の詳細について説明する。図１１は、実施の形態１に係る積層造形物における第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面の一例を模式的に示す図である。図１１は、図８の領域Ｒ２を拡大した模式図である。上記したように、第１金属材料および第２金属材料として金属間化合物を形成する材料が選択されるため、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉには、金属間化合物を含む金属間化合物層２５５が形成される。なお、金属間化合物層２５５は、金属間化合物を含むが、固溶体等のその他の相は含まれてもよいし、含まれなくてもよい。

金属間化合物は元の金属とは異なる特異な性質を示すことが一般的に知られており、金属間化合物層２５５は、第１金属材料とも第２金属材料とも異なる性質をもつ第３の層となる。第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉに形成される金属間化合物層２５５は、バリア層の役割を有する。金属間化合物層２５５は、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１とを接合する役割を有するものではない。第１金属材料の熱膨張率と第２金属材料の熱膨張率とが異なる場合、金属間化合物層２５５によって、熱膨張率の違いからくる熱ひずみを緩和することができる。すなわち、金属間化合物層２５５が緩衝材の役割を有する。

金属間化合物層２５５が第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１とを接合するものではないので、単純に第１点状ビード２３１上に第２点状ビード２４１を形成したとしても、第１金属層２３０と第２金属層２４０との間の接合は十分ではない。そこで、実施の形態１では、図７から図１０で示したように、第１金属層２３０と第２金属層２４０との接合は、中間層２５０の単位構造部２５３を構成する鉤状の第１構造部２５１と鉤状の第２構造部２５２との嵌合によって行われる。このため、第１金属層２３０と第２金属層２４０との熱膨張率が異なっても、中間層２５０の第１点状ビード２３１および第２点状ビード２４１の物理的な配置の仕方によって、両者の接合を維持することが可能となる。

また、第１金属層２３０と第２金属層２４０とが接触している場合には、接合界面Ｉでの電位差によって電気が流れ、腐食が発生しやすくなる。一方、実施の形態１では、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との間に金属間化合物層２５５が存在する。金属間化合物は、電気を通さないものが多いため、第１金属層２３０と第２金属層２４０との間で電位差が発生しても、金属間化合物でその流れが遮られる。この結果、第１金属層２３０および第２金属層２４０との接合界面Ｉにおける腐食が発生し難くなる。

図１２は、実施の形態１に係る積層造形物における第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面における成分の状態の一例を示す図である。ここでは、第１金属材料は、第１金属によって構成され、第２金属材料は、第２金属によって構成されるものとする。また、第１金属と第２金属とは、固溶体を形成せず、金属間化合物を形成する組合せであるものとする。図１２で、横軸は第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉを含む積層造形物２２０内のＺ軸方向の位置を示しており、縦軸は、第１金属および第２金属の成分量を示している。図１２は、図１１の領域Ｒ３におけるＺ軸方向の第１金属および第２金属の成分量の変化を示している。

金属間化合物は、第１金属と第２金属とが予め定められた比率で組み合わされている。そのため、図１２に示されるように、接合界面Ｉの近傍の金属間化合物層２５５においては、第１金属および第２金属の成分量はともに一定となる。このため、接合界面Ｉに金属間化合物層２５５が形成されているかどうかは走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）等に付帯のエネルギ分散型Ｘ線分光装置（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：ＥＤＳ）等による成分分析によって容易に判断することができる。

第１金属材料がＦｅであり、第２金属材料がＡｌである場合を例に挙げて説明する。図１３は、Ａｌ－Ｆｅの状態図である。Ａｌを主成分金属としたときにＦｅを添加金属とすることで、図１３の領域Ｒ４において金属間化合物のみ、または金属間化合物と固溶体とを含む金属間化合物層２５５が得られる。実施の形態１では、金属間化合物層２５５における固溶体の形成の有無は問わず、金属間化合物が形成されている必要がある。領域Ｒ４では、面心立方構造のＡｌとＡｌ₁₂Ｆｅ₄とが形成されることが示されている。

Ｆｅからなる第１点状ビード２３１上にＡｌからなる第２点状ビード２４１を形成する場合には、溶融しているＡｌに、第１点状ビード２３１を構成する部位からＦｅが混入する。この結果、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉの近傍では、状態図の領域Ｒ４における金属間化合物が得られることになる。

なお、ここでは、Ａｌ－Ｆｅを例に挙げて説明したが、金属間化合物を形成する他の第１金属材料および第２金属材料の組み合わせでも同様にして、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉに金属間化合物が形成されることになる。

つぎに、積層造形物２２０の製造方法について説明する。図１４から図１８は、実施の形態１に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。まず、図１４に示されるように、第１金属材料からなる第１点状ビード２３１を所望の形状に配置することによって第１金属層２３０を形成する。図１に示される積層造形装置１で、ビームノズル２３からレーザビームＬを加工点１１１に照射して、溶融池を形成させる。この状態で、ワイヤノズル３１から第１金属材料からなる第１ワイヤを加工点１１１に供給し、レーザビームＬを加工点１１１に照射して、第１ワイヤを溶融加熱状態として、第１点状ビード２３１を形成する。ここでは、１つの第１点状ビード２３１を形成した後、加工ヘッド２１をＹ軸方向に移動させて次の第１点状ビード２３１を形成するものとする。Ｙ軸方向に延在する第１点状ビード２３１の列を形成した後、Ｘ軸方向に点状ビードの幅分、加工ヘッド２１を移動させ、Ｙ軸方向に延在する第１点状ビード２３１の列を形成する処理を繰り返す。

ついで、第１金属層２３０の上に、加工点１１１への第１ワイヤおよび第２ワイヤの供給を切り替えながら、鉤状の第１構造部２５１および鉤状の第２構造部２５２を形成することによって、中間層２５０を形成する。すなわち、制御部５１は、第１金属層２３０と第２金属層２４０との間に、第１構造部２５１と第２構造部２５２と、を有し、第１構造部２５１と第２構造部２５２とが嵌合した単位構造部２５３が、第１金属層２３０および第２金属層２４０の積層方向に垂直な面内に並進対称で配置されるように、加工ヘッド２１の軸移動を伴わずに加工点は停止した状態でレーザビームＬの照射と第１ワイヤまたは第２ワイヤの送給とを断続的に行う。

具体的には、図１５に示されるように、第２構造部２５２となる第２点状ビード２４１を、第１金属層２３０上の予め定められた位置に形成する。このとき、積層造形装置１で、ビームノズル２３からレーザビームＬを加工点１１１に照射して、溶融池を形成させる。この状態で、第２金属材料からなる第２ワイヤを加工点１１１に供給し、レーザビームＬを加工点１１１に照射して、第２ワイヤを溶融加熱状態として、第２点状ビード２４１を形成する。ここでも、第２点状ビード２４１は、Ｙ軸方向に沿って順に形成される。その後、図１６に示されるように、ビームノズル２３からレーザビームＬを加工点１１１に照射して、溶融池を形成させた状態で、加工点１１１に第１ワイヤを供給し、レーザビームＬを加工点１１１に照射して、第１点状ビード２３１を形成する。図１５および図１６の処理を繰り返し実行することで、図１７に示されるように鉤状の第１構造部２５１と鉤状の第２構造部２５２とが嵌合した構造の単位構造が並進対称で配置された中間層２５０が得られる。

第１点状ビード２３１上に第２点状ビード２４１を形成するとき、および第２点状ビード２４１上に第１点状ビード２３１を形成するときには、第１点状ビード２３１および第２点状ビード２４１の接合界面Ｉには、金属間化合物層２５５が形成される。

その後、図１８に示されるように、中間層２５０上に、第２点状ビード２４１を形成することによって、第２金属層２４０を形成する。ここでも、第２点状ビード２４１は、Ｙ軸方向に沿って順に形成される。そして、図７および図８に示される積層造形物２２０が形成される。以上によって、第１金属材料および第２金属材料を含む積層造形物２２０の製造方法が終了する。

ここで、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との界面に固溶体を形成する従来技術との違いについて説明する。図１９は、従来技術による積層造形物における第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面の一例を模式的に示す図である。図１９は、図８の領域Ｒ２に対応する部分を拡大した模式図である。なお、図１９では、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図１９に示されるように、第１金属と第２金属とは固溶体を形成する材料が選択されるため、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉには固溶体からなる固溶体層２９０が形成される。

図２０は、従来技術による第１点状ビードと第２点状ビードとの接合界面における成分の状態の一例を示す図である。ここでは、第１金属材料は、第１金属によって構成され、第２金属材料は、第２金属によって構成されるものとする。また、第１金属と第２金属とは、固溶体を形成する組合せであるものとする。図２０で、横軸は第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉを含む積層造形物２２０内のＺ軸方向の位置を示しており、縦軸は、第１金属および第２金属の成分量を示している。図２０は、図１９の領域Ｒ５におけるＺ軸方向の第１金属および第２金属の成分量の変化を示している。

固溶体は、連続的に元の金属の組成を変化させたものである。このため、図２０に示されるように、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉに形成される固溶体層２９０では、第１金属の成分量は、第１点状ビード２３１との界面から第２点状ビード２４１との界面に向かって連続的に減少し、第２金属の成分量は、第１点状ビード２３１との界面から第２点状ビード２４１との界面に向かって連続的に増加することになる。このように、接合界面Ｉの固溶体層２９０における成分は第１金属および第２金属ともに緩やかに傾斜する。

固溶体は、連続的に元の金属の組成を変化させたものであり、通常、元の金属と類似の性質を示す。このため、固溶体によって形成される固溶体層２９０は、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１とを接合するものである。そのため、第１金属材料の熱膨張率と第２金属材料の熱膨張率とが異なる場合、熱膨張率の違いからくる熱ひずみで固溶体層２９０で剥がれが生じてしまう。剥がれが生じた部分では、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１とが接合されなくなるため、第１金属層２３０と第２金属層２４０との間で剥離が生じる原因となってしまう。

また、第１金属と第２金属との固溶体は、電気伝導性を有することが多い。このため、第１金属層２３０と第２金属層２４０とが固溶体層２９０を介して接触している場合には、接合界面Ｉでの電位差によって電気が流れ、腐食が発生しやすくなる。

実施の形態１の積層造形物２２０では、第１金属材料からなる第１金属層２３０と第２金属材料からなる第２金属層２４０との間に中間層２５０を有し、中間層２５０では、第１金属層２３０から第２金属層２４０側に突出する第１点状ビード２３１によって構成される鉤状の構造物である第１構造部２５１と、第２金属層２４０から第１金属層２３０側に突出する第２点状ビード２４１によって構成される鉤状の構造物である第２構造部２５２と、を有し、第１構造部２５１と第２構造部２５２とが嵌合する単位構造部２５３が、第１金属層２３０および第２金属層２４０の積層方向に垂直な面内に並進対称で配置されている。これによって、第１金属材料と第２金属材料との組み合わせが従来に比して限定されずに、第１金属層２３０と第２金属層２４０との接合界面Ｉにおいて一様な接合強度を確保することができるという効果を有する。また、単位構造部２５３における第１構造部２５１と第２構造部２５２との嵌合は、第１点状ビード２３１および第２点状ビード２４１の物理的な配置によって行われるものであり、ミリメートル単位の大きさである。このため、嵌合させる単位構造部２５３が、最終製品の形状および大きさに制約を与えることがなく、任意の形状および大きさの積層造形物２２０を形成することができる。

また、金属間化合物層２５５は、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１とを接合するものではないので、第１金属材料と第２金属材料との熱膨張率が異なり、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接合界面Ｉに熱ひずみが生じた場合でも、金属間化合物層２５５が熱ひずみの緩衝材として機能する。また、金属間化合物層２５５が電気を通さない場合には、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１との接触によって生じる電位差があっても、第１金属層２３０と第２金属層２４０との接合界面Ｉに電気が流れないので、腐食の進行を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１の図８では、第１金属材料と第２金属材料との間の強度に差がないものとしたが、実際の材料の組合せにおいては、第１金属材料と第２金属材料との間で強度に差があることがある。この場合には、第１金属材料と第２金属材料との間の強度に応じて、単位構造部２５３における第１点状ビード２３１および第２点状ビード２４１を配置する数の比を変化させればよい。

ここでは、第１金属材料の引張強度は、第２金属材料の引張強度の２倍であるとする。図２１は、実施の形態２に係る積層造形物の構成の一例を示す一部断面図である。図２１では、第２金属材料の引張強度は、第１金属材料の引張強度の２分の１であるので、第２構造部２５２のＺ軸方向に延在する部分のＸ軸方向における第２点状ビード２４１の数を、第１構造部２５１のＺ軸方向に延在する部分のＸ軸方向における第１点状ビード２３１の数の２倍としている。これによって、第２構造部２５２でのＸ軸方向に２個配置された第２点状ビード２４１のＺ軸方向における引張強度が、第１構造部２５１でのＸ軸方向に１個配置された第１点状ビード２３１のＺ軸方向における引張強度と同等となり、接合面に対して引張方向、すなわちＺ軸方向に働く接合荷重を向上させることができる。

なお、これは一例であり、第１金属材料と第２金属材料との強度比に応じて第１構造部２５１を構成する第１点状ビード２３１の数および第２構造部２５２を構成する第２点状ビード２４１の数の比を変えることができる。

実施の形態２では、第１金属材料と第２金属材料との強度比に応じて第１構造部２５１を構成する第１点状ビード２３１の数と第２構造部２５２を構成する第２点状ビード２４１の数との比を変えるようにした。これによって、異なる強度の点状ビードが混在している場合でも、第１金属層２３０および第２金属層２４０の接合界面Ｉの強度を一定に保つことが可能になる。

実施の形態３．
実施の形態２では一軸方向の引張強度に対して、金属材料の強度差が異なる場合に、金属材料間の強度差が解消されるように単位構造部２５３における点状ビードの数の比を調整する場合を説明した。実施の形態３では、一軸以外の方向に強度が働く場合にも第１金属層２３０と第２金属層２４０との界面の接続強度を保つことができる積層造形物２２０の構造について説明する。

実施の形態１では、図８に示されるように、下層の点状ビードの上に、すなわち下層の点状ビードのＸ軸方向およびＹ軸方向の位置と同じ位置に、点状ビードを配置していた。しかし、点状ビードは略球形を有しているために、自由に充填率を変えることが可能である。図２２は、実施の形態３に係る積層造形物における点状ビードの配置方法の一例を示す図である。図２２では、面心立方格子となるように点状ビードを配置した場合が示されている。Ｙ軸方向から見た場合には、Ｍを０以上の整数として、Ｚ軸方向におけるＭ層目の点状ビードによって構成される点状ビード層上に、ビード幅の半分の距離だけＸ軸方向にずらして点状ビードを配置したＭ＋１層目の点状ビード層が形成されている。第１金属層２３０、中間層２５０および第２金属層２４０の全体にわたって、同様の配置が行われる。なお、図２２では、Ｙ軸方向から見た図を示しているが、Ｘ軸方向から見た場合も同様である。この場合、中間層２５０でも、面心立方格子の配置が維持されるように第１点状ビード２３１および第２点状ビード２４１を配置して、鉤状の第１構造部２５１および鉤状の第２構造部２５２を形成する。これによって、中間層２５０には、単位構造部２５３が形成されることになる。

このように、積層造形物２２０全体で、点状ビードを面心立方格子となるように配置して、点状ビードの充填率を高めることで、図２２中の複数の矢印で示すように、多軸方向、または引張以外の特定方向の荷重である曲げ、せん断、圧縮、ねじりに対しても接合強度を向上させることができる。

なお、面心立方格子の配置だけではなく、最密六方格子、体心立方格子等の構造となるように、点状ビードを配置することもできる。このように点状ビードの配置をずらすことによって、任意の方向の強度を変えることができる。つまり、格子構造に応じた強度を有する積層造形物２２０を得ることができる。

一般的に、最密面に沿ってすべりが発生しやすいので、最密面での強度が落ちてしまう。一例では、最密面に交差する方向に、鉤状の第１構造部２５１および鉤状の第２構造部２５２が嵌合した単位構造部２５３を有する中間層２５０を設けることで、すべり面における強度を高めることができる。

実施の形態３の積層造形物２２０では、Ｚ軸方向に点状ビードを配置する場合に、下層の点状ビード層の点状ビードの位置に対して点状ビードをずらして配置する。例えば、点状ビードが面心立方格子、体心立法格子または最密六方格子となるように配置する。これによって、格子構造に起因した方向の荷重に対する強度を高めることができるという効果を有する。つまり、特定の方向に強度を持たせるという異方性カスタムを可能とする。また、鉤状の第１構造部２５１と鉤状の第２構造部２５２との嵌合を、点状ビードの配置の仕方によって自由自在に変えられるので、特定方向に特化して接合強度を持たせることができる。

実施の形態４．
実施の形態１から３では、第１金属層２３０は第１点状ビード２３１から構成されていた。しかし、第１金属層２３０は、第１点状ビード２３１から構成されていなくてもよい。実施の形態４では、第１金属層２３０が板状部材からなる場合を説明する。

図２３は、実施の形態４に係る積層造形物の構成の一例を示す断面図である。積層造形物２２０Ａは、第１金属材料からなる板状の第１金属層２３０Ａと、第２金属材料の第２点状ビード２４１からなる第２金属層２４０と、が中間層２５０Ａを介して接合された構成を有する。

第１金属層２３０Ａは、任意の形状を有する部材２３３によって構成される。部材２３３は、部材２３３の第２金属層２４０が形成される付加対象面１１０に並進対称で配置される溝２３４を有する。溝２３４は、Ｙ軸方向に延在する溝２３４であってもよいし、予め定められた長さを有する溝２３４がＹ軸方向に予め定められた間隔で配置されたものであってもよい。溝２３４は、Ｘ軸方向にも予め定められた間隔で配置される。溝２３４の延在方向であるＹ軸方向に垂直な断面形状は、底部から開口部に向かって先細り形状となっている。Ｘ軸方向に隣接する溝２３４と溝２３４との間の部分を台状部２３５と称するものとすると、台状部２３５の上面のＸ軸方向における長さは、一例では１つ分の点状ビードの大きさである。ただし、これは例示であり、第１金属層２３０Ａと第２金属層２４０との間で全体にわたって所望の引張強度が得られるのであれば、台状部２３５の上面のＸ軸方向における長さは任意の長さとすることができる。

溝２３４には第２金属材料からなるビード２５７が埋め込まれる。つまり、溝２３４にビード２５７が嵌合する構成となる。このように、実施の形態４では、第１構造部２５１は溝２３４に対応し、第２構造部２５２はビード２５７に対応する。溝２３４に埋め込まれるビード２５７は、線状ビードでもよいし、点状ビードでもよい。

溝２３４にビード２５７が埋め込まれた第１金属層２３０Ａ上に、第２点状ビード２４１が配置される。第２点状ビード２４１は、溝２３４内のビード２５７と接合されるように配置される。また、他の第２点状ビード２４１は、台状部２３５上に配置される。

先細り形状の溝２３４に埋め込まれたビード２５７と、第２点状ビード２４１とが接合されることによって、Ｚ軸方向に引張応力が働いたときに、溝２３４に嵌合したビード２５７が溝２３４から抜けにくくなり、第１金属層２３０Ａと第２金属層２４０とを強固に接合することが可能となる。

この場合、溝２３４と溝２３４に埋め込まれたビード２５７と台状部２３５とを含む部分が単位構造部２５３となる。そして、単位構造部２５３が並進対称で配置される部分が、中間層２５０Ａとなる。ビード２５７が、溝２３４内に線状に埋め込まれている場合には、Ｙ軸方向に延在する溝２３４と溝２３４に埋め込まれたビード２５７および台状部２３５の組み合わせが単位構造部２５３であり、中間層２５０では、単位構造部２５３がＸ軸方向に並進対称で配置されるものとみなすことができる。なお、第１金属層２３０Ａとビード２５７との界面および第１金属層２３０Ａと第２点状ビード２４１との界面には、実施の形態１で説明したものと同様に、金属間化合物層２５５が形成される。

つぎに、このような積層造形物２２０の製造方法について説明する。図２４から図３０は、実施の形態４に係る積層造形物の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である。まず、図２４に示されるように、第１金属材料からなる平板状の部材２３３を用意する。この平板状の部材２３３が、第１金属層２３０Ａとなる。ついで、図２５に示されるように、第１金属層２３０Ａの上面にＹ軸方向に延在する溝２３４を、Ｘ軸方向に予め定められた間隔で形成する。溝２３４の底部よりも開口部の方が面積が小さくなるように、溝２３４のＹ軸方向に垂直な断面は先細り形状となる。溝２３４は、一例では形彫放電加工によって形成される。溝２３４の形成によって、溝２３４と溝２３４との間には台状部２３５が形成される。

その後、図２６に示されるように、第２金属材料からなるビード２５７が溝２３４に埋め込まれる。上記したように、ビード２５７は、点状ビードでもよいし、線状ビードでもよい。この例では、ビード２５７は、線状ビードであるとする。部材２３３のうち、溝２３４に埋め込まれたビード２５７および台状部２３５が形成される領域は中間層２５０Ａとなり、その他の部分は第１金属層２３０Ａとなる。

ついで、図２７に示されるように、部材２３３の溝２３４に埋め込まれたビード２５７上に、第２金属材料からなる第２点状ビード２４１が形成される。Ｙ軸方向に延在するビード２５７に沿って、ビード２５７上に１列目の第２点状ビード２４１が形成される。

その後、図２８に示されるように、１列目の第２点状ビード２４１にＸ軸方向に隣接する部材２３３の台状部２３５の上に、Ｙ軸方向に沿って、２列目の第２点状ビード２４１が形成される。２列目の第２点状ビード２４１は、１列目の第２点状ビード２４１と溶融結合される。

図２７および図２８の処理を繰り返し行うことで、図２９に示されるように、中間層２５０Ａ上に、１層目の第２点状ビード２４１が形成される。さらに、１層目の第２点状ビード２４１と同様に２層目以降の第２点状ビード２４１も繰り返し形成することで、図３０に示される第２金属層２４０が得られる。なお、上記した説明では、部材２３３が板状である場合を示したが、板状ではなく、第１点状ビード２３１で形成されていない任意の形状の部材であればよい。

実施の形態４では、第１金属層２３０Ａを、第１点状ビード２３１で形成されたものではない任意の形状の部材２３３とする。この第１金属層２３０Ａに、断面が先細り形状の溝２３４を形成し、溝２３４に第２金属材料からなるビード２５７を埋め込むことによって、中間層２５０Ａを形成する。ついで、埋め込んだビード２５７上にビード２５７に沿って第２点状ビード２４１の列を形成する処理と、台状部２３５上に先に形成した第２点状ビード２４１の列と接触するように第２点状ビード２４１の列を形成する処理と、を繰り返し、第１金属層２３０Ａ上に１層目の点状ビードを形成し、これを繰り返して複数層の第２点状ビード２４１からなる第２金属層２４０を形成する。これによって、ビード２５７が先細り形状の溝２３４に嵌合する形態となり、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、第１金属層２３０Ａを第１点状ビード２３１によって形成する場合には、第１点状ビード２３１を３次元的に配置していくので時間がかかる。しかし、実施の形態４では、任意の形状の部材２３３を第１金属層２３０Ａとするので、第１点状ビード２３１を１個１個配置して形成していく場合に比して、第１金属層２３０Ａを準備する工程に要する時間を短縮することができる。また、形彫放電加工などの方法によって部材２３３に溝２３４を形成し、溝２３４にビード２５７を埋め込むことで中間層２５０Ａとする。これによっても、第１点状ビード２３１と第２点状ビード２４１とを配置していく場合に比して、中間層２５０Ａを形成する工程に要する時間を短縮することができる。この結果、積層造形物２２０の製造に要する時間を短縮することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１積層造形装置、１１ステージ、１２ベース材、１３回転機構、２１加工ヘッド、２２ヘッド駆動部、２３ビームノズル、２４レーザ発振器、２５ファイバケーブル、３１ワイヤノズル、３２ワイヤ供給部、３３ワイヤスプール、３４回転モータ、４１ガスノズル、４２ガス供給部、４３配管、５１制御部、１００加工対象物、１１０付加対象面、１１１加工点、２０１線状ビード、２１１点状ビード、２２０，２２０Ａ積層造形物、２３０，２３０Ａ第１金属層、２３１第１点状ビード、２３３部材、２３４溝、２３５台状部、２４０第２金属層、２４１第２点状ビード、２５０，２５０Ａ中間層、２５１第１構造部、２５２第２構造部、２５３単位構造部、２５５金属間化合物層、２５７ビード、２９０固溶体層、Ｇシールドガス、Ｉ接合界面、Ｌレーザビーム、Ｗワイヤ。

Claims

第１金属材料からなる第１点状ビードによって構成される第１金属層と、第２金属材料からなる第２点状ビードによって構成される第２金属層と、が積層された積層造形物であって、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に、前記第１点状ビードによって構成され、前記第２金属層側に突出するとともに、前記第２金属層側の先端が前記第１金属層と前記第２金属層との積層方向に垂直な方向に突出する構造物である第１構造部と、前記第２点状ビードによって構成され、前記第１金属層側に突出するとともに、前記第１金属層側の先端が前記積層方向に垂直な方向に突出する構造物である第２構造部と、を有し、前記第１構造部の前記先端と前記第２構造部の前記先端とが互いに噛み合うように嵌合した単位構造部が、前記積層方向に垂直な面内に並進対称で配置される中間層を備え、
前記中間層は、前記第１構造部と前記第２構造部との接合界面に金属間化合物を含む金属間化合物層を有し、
前記第１構造部の前記積層方向に垂直な方向に突出した前記第１点状ビードと、前記第２構造部の前記積層方向に垂直な方向に突出した前記第２点状ビードと、は、前記積層方向に垂直な面内における位置が同じになるように前記積層方向に重ねて配置されることを特徴とする積層造形物。
第１金属材料からなる第１点状ビードによって構成される第１金属層と、第２金属材料からなる第２点状ビードによって構成される第２金属層と、が積層された積層造形物であって、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に、前記第１点状ビードによって構成され、前記第２金属層側に突出するとともに、前記第２金属層側の先端が前記第１金属層と前記第２金属層との積層方向に垂直な方向に突出する構造物である第１構造部と、前記第２点状ビードによって構成され、前記第１金属層側に突出するとともに、前記第１金属層側の先端が前記積層方向に垂直な方向に突出する構造物である第２構造部と、を有し、前記第１構造部の前記先端と前記第２構造部の前記先端とが互いに噛み合うように嵌合した単位構造部が、前記積層方向に垂直な面内に並進対称で配置される中間層を備え、
前記中間層は、前記第１構造部と前記第２構造部との接合界面に金属間化合物を含む金属間化合物層を有し、
前記第１金属材料の引張強度と前記第２金属材料の引張強度とが異なる場合に、前記第１構造部と前記第２構造部との強度が一定となるように、前記単位構造部における前記積層方向に垂直な方向の前記第１点状ビードの数と前記第２点状ビードの数が異なることを特徴とする積層造形物。
前記第１点状ビードおよび前記第２点状ビードは、下層の第１点状ビードまたは下層の第２点状ビードの位置からずらして配置されることを特徴とする請求項２に記載の積層造形物。
前記第１点状ビードおよび前記第２点状ビードは、面心立方格子、最密六方格子および体心立法格子のいずれかとなるように配置されることを特徴とする請求項３に記載の積層造形物。
第１金属材料からなる第１金属層と、第２金属材料からなる第２点状ビードによって構成される第２金属層と、が積層された積層造形物であって、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に、前記第１金属材料によって構成される構造物である第１構造部と、前記第２金属材料によって構成される構造物である第２構造部と、を有し、前記第１構造部と前記第２構造部とが嵌合した単位構造部が、前記第１金属層および前記第２金属層の積層方向に垂直な面内に並進対称で配置される中間層を備え、
前記中間層は、前記第１構造部と前記第２構造部との接合界面に金属間化合物を含む金属間化合物層を有し、
前記第１金属層は、第１点状ビードで構成されていない、任意の形状の部材であり、
前記第１構造部は、前記第１金属層に設けられる溝であり、
前記第２構造部は、前記溝に埋め込まれた前記第２金属材料からなるビードであることを特徴とする積層造形物。
第１金属材料からなる第１点状ビードによって構成される第１金属層と、第２金属材料からなる第２点状ビードによって構成される第２金属層と、が積層された積層造形物の製造方法であって、
前記第１金属層に、前記第１点状ビードによって構成され、前記第２金属層側に突出するとともに、前記第２金属層側の先端が前記第１金属層と前記第２金属層との積層方向に垂直な方向に突出する構造物である第１構造部と、前記第２点状ビードによって構成され、前記第１金属層側に突出するとともに、前記第１金属層側の先端が前記積層方向に垂直な方向に突出する構造物である第２構造部と、を有し、前記第１構造部の前記先端と前記第２構造部の前記先端とが互いに噛み合うように嵌合した単位構造部が、前記積層方向に垂直な面内に並進対称で配置される中間層を形成する中間層形成工程と、
前記中間層上に前記第２点状ビードを配置して前記第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、
を含み、
前記第１金属材料および前記第２金属材料は、前記第１構造部と前記第２構造部との接合界面に金属間化合物を含む金属間化合物層を形成する材料の組み合わせであり、
前記中間層形成工程では、前記第１構造部の前記積層方向に垂直な方向に突出した前記第１点状ビードと、前記第２構造部の前記積層方向に垂直な方向に突出した前記第２点状ビードと、は、前記積層方向に垂直な面内における位置が同じになるように前記積層方向に重ねて配置されることを特徴とする積層造形物の製造方法。