JP7143964B1 - 金属積層造形体の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

大気下でも酸化することのない金属積層造形体の製造装置および製造方法を得る。金属積層造形体の製造装置（１００）は、金属積層造形体の材料を造形領域（２３）に供給し、供給された材料を溶融する熱源を照射し、造形領域（２３）へシールドガスを噴出し、造形領域（２３）における測定点の温度を計測する。制御装置（１）は、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域（２３）を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う。

Description

本開示は、金属の積層造形体の製造を行う金属積層造形体の製造装置および製造方法に関する。

従来、三次元の立体物を造形する技術として、付加製造（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ）と呼ばれる技術を用いた金属積層造形体の製造装置が知られている。特許文献１には、ワイヤを繰り返し溶滴状に溶融して加工物の上に堆積させることによって所望の形状の造形物を作る金属積層造形体の製造システムが開示されている。特許文献１に記載された製造システムでは、造形材料であるワイヤにレーザビームを照射することによりワイヤの先端に溶融滴が形成される。そして、加工物の表面上に形成される溶融池の中に溶融滴が堆積されることで造形物が形成される。ワイヤ先端の溶融滴付近には、シールドガスと呼ばれる不活性ガスを吹き付けて材料の酸化を抑制している。

このような金属積層造形体の製造装置にあっては、大気下での造形においては造形を連続的に行っていると対象物に熱が溜まるため、局所的なシールドガスのみでは造形物が酸化する問題点があった。造形物が酸化すると、所定の材料の規格を満足しないことや材料特性が悪化する問題がある。例えば、チタン合金においては、酸素量が増加するにつれて材料の延性が低下することが知られている。

上記の問題点から、例えば金属積層造形体の製造装置は造形範囲全体を真空雰囲気下または不活性ガスに置換して造形を行っていることがある。そのようなシステムにおいては、局所的なシールドガスが噴射されていない範囲で造形物が蓄熱をしても酸化する心配はないと考えられている。

造形物の酸化を抑制する方法の一つとして、局所的なシールドガスの噴射エリアを大きくするノズルが考えられる。しかしながら、近年造形精度向上のために造形加工点近傍に各種センサが付与されている状況で、ノズルを大きくするとセンサが干渉する問題点があった。特許文献２に記載された金属積層造形体の製造装置では、温度測定を実施しているが、いずれも材料の酸化を改善するものではない。

ＷＯ２０２０－０７９８７０ 特開２０２１－０２８０７４号公報

しかしながら、これらの金属積層造形体の製造装置の造形範囲全体を真空雰囲気または不活性ガス雰囲気に置換することは多量のガスを消費することや置換に時間を要するなどの問題点があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、大気下でも酸化することのない金属積層造形体の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係る金属積層造形体の製造装置は、金属積層造形体の材料を造形領域に供給する材料供給部と、材料を溶融する熱源を造形領域に照射する照射部と、造形領域へシールドガスを噴出するガス供給部と、造形領域における測定点の温度を計測する温度計側部と、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、造形領域に照射される熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う制御装置とを備え、
前記温度計側部は、前記材料が溶融されて形成された造形中の造形物の温度を計測し、前記測定点は、前記シールドガスによるシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界よりも前記熱源が照射される位置に近い位置であり、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度は、前記材料の酸化温度以下の温度である。

本開示に係る金属積層造形体の製造方法は、金属積層造形体の材料を造形領域に供給する工程と、材料を溶融する熱源を造形領域に照射する工程と、造形領域へシールドガスを噴出する工程と、造形領域における測定点の温度を計測する工程と、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、造形領域に照射される熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う工程とを備え、温度を計側する工程では、造形物の材料となる堆積物または前記堆積物が堆積されるベース材の温度であるパス間温度を計測し、記測定点は、前記堆積物またはベース材の任意の位置であり、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度は、造形前に計測されたシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度が酸化温度を超える時のパス間温度である。

本開示の係る金属積層造形体の製造装置および製造方法によれば、大気雰囲気下での造形において造形物の酸化を抑制できるといった効果を奏する。

本開示の実施の形態１にかかる金属積層造形体の製造装置を示す概略構成図である。 本開示の実施の形態１に係る金属積層造形体の製造装置の造形領域を示す模式断面図である。 本開示の実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本開示の実施の形態１に係る材料原料の熱重量示差熱分析装置での温度毎の質量増加分の結果を示す模式図である。 本開示の実施の形態１に係る温度測定範囲について説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示す模式断面図である。 本開示の実施の形態１に係る温度測定範囲について説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示すもので、図５から加工ヘッドが移動した模式断面図である。 本開示の実施の形態１に係る金属積層造形体の製造装置の動作を説明するフローチャートである。 本開示の実施の形態１に係るＴｉ合金の熱重量示差熱分析装置での温度毎の質量増加分の結果である。 本開示の実施の形態１の実施例１に係る酸素濃度測定点を説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示す断面模式図である。 本開示の実施の形態１の実施例１に係る測定点別の酸素濃度測定結果である。 本開示の実施の形態１の実施例２に係る線ビードについて説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示すものである。 本開示の実施の形態１の実施例３に係る玉ビードについて説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示すものである。 本開示の実施の形態１の実施例４に係る線分ビードについて説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示すものである。 本開示の実施の形態１の実施例５に係る塗りつぶしパスについて説明した金属積層造形体の加工ヘッドおよび造形物の移動の様子を示した模式図である。 本開示の実施の形態２に係るパス間温度の測定点を説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示すものである。 本開示の実施の形態２に係るレーザ出力毎のパス間温度と酸化温度の関係を示した模式図である。 本開示の実施の形態２に係る金属積層造形体の製造装置の動作を説明するフローチャートである。 本開示の実施の形態３に係る加工点温度の測定点と温度計側部の配置について説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示すものである。 本開示の実施の形態３に係るレーザ出力毎の加工点温度と酸化温度の関係を示した模式図である。 本開示の実施の形態３に係る金属積層造形体の製造装置の動作を説明するフローチャートである。

以下に、本開示の実施の形態にかかる金属積層造形体の製造装置および製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本開示の実施の形態１に係る金属積層造形体の製造装置の概略構成図である。図２は本開示の実施の形態１に係る造形領域２３を説明する模式図である。レーザの照射によって溶融させた材料を被加工物の対称面へ堆積して積層することにより、３次元の造形物を製造する。本実施の形態において、ビームはレーザビーム２１であって、材料はワイヤ状の造形材料であり金属材料のワイヤ５であるものとする。なお、熱源はレーザビームに限らずアークを熱源としてもよい。金属材料の形態もワイヤに限らず粉末であってもよい。

金属積層造形体の製造装置１００の機構について図１と図２を参照して説明する。金属積層造形体の製造装置１００は、ベース材１７にビードを堆積させることによって、金属材料による堆積物１８をベース材１７の表面に形成する。ビードは、溶融したワイヤ５が凝固することによって形成される物体であり堆積物１８である。堆積物を所望の形状になるように堆積することで所望の３次元積層造形体を得ることが出来る。

ベース材１７は、ステージ１５に載置される。被加工物とは、ベース材１７もしくは堆積物１８を指すものとする。造形物とは、加工プログラムにしたがった材料の付加を終えた後の堆積物１８を指すものとする。図１に示すベース材１７は板材である。ベース材１７は、板材以外のものであってもよい。

金属積層造形体の製造装置１００は、ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３とを有する加工ヘッド１０を備える。ビームノズル１１は、材料を溶融させる熱源であるレーザビーム２１を、被加工物へ向けて出射する。ワイヤノズル１２は、被加工物におけるレーザビーム２１の照射位置へ向けてワイヤ５を進行させる。ガスノズル１３は、堆積物１８の酸化抑制のためのシールドガス２２を被加工物へ向けて噴出する。本実施の形態１において、シールドガス２２はアルゴンや窒素に代表される不活性ガスであるものとする。ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３とは、加工ヘッド１０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１０により、ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３との相対位置関係が固定されている。以下では、シールドガス２２はレーザ中心から噴射されている場合について説明するが、それ以外に加工ヘッド１０に付帯する装置からシールドガスを噴射させてもよい。

金属積層造形体の製造装置１００は、温度計側部９を備える。温度計側部９は、造形領域２３における測定点の温度を計測する。温度計側部９は、例えば堆積物１８の温度を測定する。温度計側部９には、サーモビューアまたは放射温度計を使用しているが、それ以外の測定機器であってもよい。かかる温度計側部９は加工ヘッド１０と同軸であってもよいし、独立していてもよい。温度計側部９によって計測された造形物の温度を取得することで、造形中の造形物の温度をリアルタイムでモニタリングすることができる。

照射部は、金属積層体の材料を溶融する熱源を造形領域２３に照射する。照射部は、例えば、材料であるワイヤ５を溶融させるレーザビーム２１を造形領域２３へ照射するものであり、レーザ発振器２とファイバーケーブル３とビームノズル１１とを備える。レーザ発振器２は、レーザビーム２１を発振する。ビーム源であるレーザ発振器２からのレーザビーム２１は、光伝送路であるファイバーケーブル３を通って加工ヘッド１０へ伝搬する。

ガス供給部は、造形領域２３へシールドガス２２を噴出する。ガス供給部は、例えば、ガス供給装置７と配管８とガスノズル１３とを備える。ガス供給装置７は、配管８を通じてガスノズル１３へガスを供給する。

材料供給部１９は、金属積層造形体の材料を造形領域２３に供給する。材料供給部１９は、例えば、回転モータ４とワイヤスプール６とワイヤノズル１２とを備える。ワイヤ５が巻き付けられているワイヤスプール６は、材料の供給源である。サーボモータである回転モータ４の駆動に伴ってワイヤスプール６が回転することによって、ワイヤ５はワイヤスプール６から繰り出される。ワイヤスプール６から繰り出されたワイヤ５は、ワイヤノズル１２を通されて、レーザビーム２１の照射位置へ供給される。また、ワイヤ５をワイヤスプール６から繰り出す場合と逆方向に回転モータ４を逆回転させることにより、レーザビーム２１の照射位置へ供給されたワイヤ５をレーザビーム２１の照射位置から引き抜くことができる。この場合、ワイヤスプール６から繰り出されているワイヤ５におけるワイヤスプール６側の一部がワイヤスプール６に巻き取られる。

金属積層造形体の製造装置１００は、ワイヤスプール６の回転モータ４とワイヤノズル１２の動作機構との少なくとも一方が設けられることによって、レーザビーム２１の照射位置へワイヤ５を供給可能とする。図１では、ワイヤノズル１２の動作機構の図示を省略している。

ヘッド駆動装置１４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１０を移動させる。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｘ軸およびＹ軸は、水平方向に平行な軸である。Ｚ軸方向は、鉛直方向である。ヘッド駆動装置１４は、Ｘ軸方向への加工ヘッド１０の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｙ軸方向の加工ヘッド１０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１０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。ヘッド駆動装置１４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。金属積層造形体の製造装置１００は、ヘッド駆動装置１４により加工ヘッド１０を移動させることで、被加工物におけるレーザビーム２１の照射位置を移動させることができる。金属積層造形体の製造装置１００は、ステージ１５を移動させることによって、被加工物におけるレーザビーム２１の照射位置を移動させてもよい。

図１に示す加工ヘッド１０では、ビームノズル１１からＺ軸方向へレーザビーム２４を進行させる。ワイヤノズル１２は、ＸＹ面内においてビームノズル１１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５を進行させる。なお、ワイヤノズル１２は、加工ヘッド１０における固定方向を変更して、Ｚ軸に対して平行な方向へワイヤ５を進行させてもよい。ワイヤノズル１２は、ワイヤ５が所望の位置に供給されるようにワイヤ５の進行を制限するために用いられる。

図１に示す加工ヘッド１０において、ガスノズル１３は、ＸＹ面内においてビームノズル１１の外周側にビームノズル１１と同軸に設けられており、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２４の中心軸に沿うようにガスを噴出する。すなわち、ビームノズル１１とガスノズル１３とは、互いに同軸上に配置されている。なお、ガスノズル１３は、Ｚ軸に対して斜めの方向へガスを噴出してもよい。すなわち、ガスノズル１３は、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２１の中心軸に対して斜めの方向へガスを噴出してもよい。

回転機構１６は、第１軸を中心とするステージ１５の回転と、第１軸に垂直な第２軸を中心とするステージ１５の回転とを可能とする動作機構である。図１に示す回転機構１６において、第１軸はＸ軸に平行な軸であって、第２軸はＹ軸に平行な軸である。回転機構１６は、第１軸を中心にステージ１５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、第２軸を中心にステージ１５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１６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。金属積層造形体の製造装置１００は、回転機構１６によりステージ１５を回転させることで、被加工物の姿勢または位置を変更することができる。すなわち、金属積層造形体の製造装置１００は、ステージ１５を回転させることで、被加工物におけるレーザビーム２１の照射位置を移動させることができる。回転機構１６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。

制御手段（以下、制御装置１として説明する）は、加工プログラムに従って金属積層造形体の製造装置１００を制御する。制御装置１は、事前に計測していた材料の酸化温度と温度計側部９から得られる温度から材料供給部１９と照射部とガス供給部とを制御し、造形物を酸化することなく造形するための制御を担う。造形物を酸化することなく造形するための制御とは、温度計側部９から測定される温度をモニタリングすることで、造形物が酸化温度以上であるかを判断し、造形の継続の判断を行うものである。制御装置１には、例えば、数値制御装置が用いられる。

制御装置１は、ヘッド駆動装置１４へ移動指令を出力することによって、ヘッド駆動装置１４の駆動を制御して、加工ヘッド１０を移動させる。制御装置１は、ビーム出力の条件に応じた指令をレーザ発振器２へ出力することによって、レーザ発振器２によるレーザ発振を制御する。

制御装置１は、材料の供給量の条件に応じた指令を回転モータ４へ出力することによって、回転モータ４の駆動を制御する。制御装置１は、回転モータ４の駆動を制御することによって、ワイヤスプール６から照射位置へ向かうワイヤ５の速度を調整する。以下の説明にて、かかる速度を、供給速度と称することがある。供給速度は、時間当たりの材料の供給量を表す。

制御装置１は、ガスの供給量の条件に応じた指令をガス供給装置７へ出力することによって、ガス供給装置７からガスノズル１３へのシールドガス２２の供給量を制御する。制御装置１は、回転機構１６へ回転指令を出力することによって、回転機構１６の駆動を制御する。

制御装置１は、造形時にモニタリングした温度に応じた指令をレーザ発振器２、ヘッド駆動装置１４、回転モータ４、ガス供給装置７へ出力することによって、造形条件を制御する。すなわち、制御装置１は、各種指令を出力することによって、製造装置１００の全体を制御する。

堆積物１８は、ビームノズル１１より照射されるレーザビーム２１を用いて造形領域２３に溶融ワイヤを堆積することで形成される。造形領域２３は、図２に示すように、ワイヤ５が供給され、ワイヤ５にレーザビーム２１が照射され、その周囲がシールドガス２２により大気が遮蔽されている。造形物の所望の測定点の温度を温度計側部９により計測することによって、造形時の温度をモニタリングして制御装置１に温度情報を送っている。

ヘッド駆動装置１４と回転機構１６とを連動させて加工ヘッド１０とステージ１５とを動かすことで、造形領域２３の位置を変化させることができ、所望の形状の造形物を得ることができる。

ここで、制御装置１のハードウェア構成について説明する。図１に示す制御装置１は、本実施の形態１の製造装置１００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がハードウェアで実行されることによって実現される。

ここで、制御装置１のハードウェア構成について説明する。図１に示す制御装置１は、本実施の形態１の製造装置１００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がハードウェアで実行されることによって実現される。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１のハードウェア構成を示すブロック図である。制御装置１は、各種処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４１と、データ格納領域を含むＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４２と、不揮発性メモリであるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４３と、外部記憶装置４４と、制御装置１への情報の入力および制御装置１からの情報の出力のための入出力インタフェース４５とを有する。図３に示す各部は、バス４６を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３および外部記憶装置４４に記憶されているプログラムを実行する。制御装置１による、金属積層造形体の製造装置１００の全体の制御は、ＣＰＵ４１を使用して実現される。

外部記憶装置４４は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）あるいはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）である。外部記憶装置４４は、制御プログラムと各種データとを記憶する。ＲＯＭ４３には、制御装置１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、ＲＯＭ４３に記憶されてもよい。

ＲＯＭ４３および外部記憶装置４４に記憶されているプログラムは、ＲＡＭ４２にロードされる。ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４２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４５は、制御装置１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４５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４５は、各種指令を出力する。制御装置１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。制御装置１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４４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、制御装置１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。

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。制御装置１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４４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、制御装置１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。

制御装置１の機能は、金属積層造形体の製造装置１００の制御のための専用のハードウェアである処理回路によって実現されてもよい。処理回路は、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。制御装置１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。

図４から図７を参照して、本実施の形態１にかかる金属積層造形体の製造装置１００の動作について説明する。本実施の形態１においては、温度計側部９から得られる温度と事前に計測する材料の酸化温度の情報と事前に計測するシールドガスにより大気が遮蔽されている領域により動作させるため、まずはそれらについて以下では具体的に説明する。

材料の酸化温度は、熱重量示差熱分析装置から計測される。図４は、熱重量示差熱分析装置で原料を大気雰囲気下で昇温したときの質量変化を示した模式図である。金属材料の多くは、高温状態で大気下に曝されることで酸化が進行する。酸化することで酸素が結合し質量が増加する。熱重量示差熱分析装置では、昇温時の酸化による質量変化を正確に定量し、原料の酸化挙動を把握することが出来る。図４は材料の１℃あたりの質量増加分を示しており、酸化が急激に進行する温度が存在する。ここで、質量増加が急激に起こる温度を材料の酸化温度と定義し、目安として１℃当たりの質量増分が１％以上となる温度として定量化する。

次に、温度計側部９から得られる温度についてである。装置の測定原理上は任意の点が測定可能であり、制御に要する測定温度の対象とする測定範囲を絞る必要がある。以下では図５と図６を用いて、温度の測定範囲について材料の酸化の観点から説明する。

図５および６は、温度測定範囲について説明した金属積層造形体の製造装置の造形領域を示す図であり、図６は図５から造形が進み加工ヘッド１０が移動した後の状態を示した図である。加工点２０ａは、熱源が照射される位置である。造形物は材料が溶融して堆積したものであって、加工点２０ａの近傍は融点近くの温度となっている。加工点２０ａの近傍はシールドガス雰囲気下２４により酸化することはない。しかしながら図６に示すように、加工ヘッド１０が動くことで高温となった加工点２０ａがシールドガスの及ばない大気雰囲気下２５に曝されてしまい酸化が進行する。そのため、シールドガスの及ばない大気雰囲気下２５の範囲と材料の酸化温度が造形物の酸化の有無を決定付けるパラメータとなる。つまり、酸化の有無を判断するにあたっては、加工点２０ａに出射されているシールドガス２２が加工点２０ａの近傍から離れることによって大気雰囲気下となる境界２６の温度が必要となる。

ここでは、シールドガス２２が加工点２０ａの近傍から離れることによって大気雰囲気下２５となる領域の境界２６は酸素濃度測定器などから見積もることができ、酸素濃度が１％以下の領域をシールドガスで覆われた領域２４とする。そのため、モニタリングする温度測定箇所としては、シールドガスで覆われていると考えられる領域２４と大気雰囲気下２５となる領域の境界２６を指す。境界２６は３次元に計測されるが、ここでは造形物との交点を指す。酸素濃度測定によるシールドガス雰囲気下の領域は造形前に測定する必要がある。これまでに説明した原理上、温度測定点は境界２６であるが、境界２６よりも内側のシールドガス雰囲気下２５を計測しても酸化は抑制できるため、計測点としては、加工点２０ａと境界２６の範囲の任意の点でよい。

図７は、金属積層造形体の製造装置の動作を説明するフローチャートである。制御装置１は、図７に示すように予備測定と造形のフローチャートによって制御される。材料の酸化温度とシールドガス雰囲気領域の計測、造形領域２３における測定点の設定を造形前に行い、造形時の温度測定値と材料の酸化温度に基づき設定される温度を対比させることによって、造形を制御するものとある。造形の制御とは、造形を休止して加工ヘッド１０の移動およびレーザの照射を止めること、造形の出力を段階的に落としていくこと、加工ヘッド１０の移動速度を遅くすることの少なくとも１つから選ばれる制御を指す。

すなわち、制御装置１は、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、造形領域２３に照射される熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域２３を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う。ここでは、大気雰囲気下２５で酸化温度を超えないように温度計測を行い、酸化温度を超えたと検知した場合において、造形のパラメータ制御により、過度に造形物に熱が加わらないようにする。そして、造形の温度が材料の酸化温度以下であることを確認したことを持って、造形を再開するまたは造形のパラメータを変更する。

予備測定として、原料の酸化温度を計測するステップＳ１０とシールドガス雰囲気下領域２４を測定するステップＳ２０とステップＳ２０から温度測定点を設定するステップＳ２１を行う。ここで、Ｓ１０とＳ２０の順番は問わない。

造形工程では、金属積層造形体の材料を造形領域２３に供給する工程と、材料を溶融する熱源を造形領域２３に照射する工程と、造形領域２３へシールドガスを噴出する工程とを行う。

本実施の形態では、造形として、造形開始状態から、温度測定点の温度をモニタリングして測定点が材料の酸化温度以上であるかを判定しながら造形するステップＳ３０を行う。造形開始時点では、造形物が蓄熱していない場合が多い。この場合は、事前に設定していた材料の酸化温度以下であるため制御の必要はなく、ステップＳ３０に戻る。

次に、造形が進むにつれて、測定温度が酸化温度付近となる。酸化温度を超えた時点でステップＳ４０に移行する。ステップＳ４０では、測定温度の酸化温度が超えたことを持って、造形パラメータの変更または造形の停止を行い、ステップＳ５０に移行する。

次に、ステップＳ５０において、温度測定点が材料の酸化温度以上の場合は引き続き制御を行い、温度が酸化温度以下であることを確認したことを持って、造形可と判断して造形を再開するなど造形制御を解除するステップＳ６０へと移行する。造形を再開するにあたって、造形パラメータなどは可変してもよい。ここでは、造形を一度止める制御方法を記載しているが、止めるに限らなくてもよい。例えば、蓄熱に影響を及ぼすパラメータである出力を可変して、蓄熱を抑制できるのであれば必ずしも造形を止める必要はない。ステージＳ７０にて造形が完了しているかを判断し、造形を継続する場合は、温度測定点を行うステップＳ３０に戻り同様のフローで造形を行う。造形が完了している場合は、造形が終了となる。

上述のとおり、本実施の形態における金属積層造形体の製造装置１００は、金属積層造形体の材料を造形領域２３に供給する材料供給部１９と、材料を溶融する熱源を造形領域２３に照射する照射部と、造形領域２３へシールドガスを噴出するガス供給部とを備える。そして、造形領域２３における測定点の温度を計測する温度計側部９を有し、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、造形領域２３に照射される熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う制御装置１を備える。

このような金属積層造形体の製造装置１００を用いることで、酸化温度以上で大気雰囲気下２５に暴露されることなく、酸化しない造形物の製造が可能となる。

また、本実施の形態における金属積層造形体の製造方法は、金属積層造形体の材料を造形領域２３に供給する工程と、材料を溶融する熱源を造形領域２３に照射する工程と、造形領域２３へシールドガスを噴出する工程とを備える。そして、造形領域における測定点の温度を計測し、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、造形領域２３に照射される熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う。

このような金属積層造形体の製造方法により、酸化温度以上で大気雰囲気下２５に暴露されることなく、酸化しない造形物の製造が可能となる。これにより、蓄熱が進むと造形を止めた方がよいかもしれないという感覚に左右されることなく、理論的に酸化温度と測定温度の関係を持って造形を制御することができ、形状や材質に問わず酸化しない造形物の製造が可能となる。

なお、これまでは測定原理を説明するにあたり、酸化温度として酸化が急速に進行する温度を定義したが、より造形物の酸化量を減らしたい場合は、目安とする温度は酸化温度以下の任意の温度であれば所望の効果が得られる。以下では、具体的な事例を持って説明する。

（実施例１）
ここでは、酸化しやすいチタン合金（Ｔｉ―６Ａｌ―４Ｖ）について述べる。酸化が明確であるため、チタン合金を用いたが、本発明の原理を用いればチタン合金に限定されることはなく、他の金属材料にも用いられてよい。例えば、金属積層造形体に多く用いられているＮｉ基合金やＦｅ基合金やＡｌ基合金などであるが、その他の金属でもよい。

造形の前の予備実験として、チタン合金の粉末を所定の粉末量を測定し、熱重量示差熱天秤によって質量変化を測定した。本測定に用いるのは、望ましくは粉末形状であった方がよいが、ワイヤ形状でもよい。

ここでは昇温速度は１０℃／ｍｉｎとしたが、酸化温度に影響することはなくこれに限ることはない。図８には、昇温時の温度と質量変化を示したものとある。ここでの質量変化とはチタン合金が大気の酸素と反応して酸化したことによって、質量が増加するものである。所望の酸化物になっているかは測定後の試料をＸ線解析装置で判定することができる。このように得られた質量変化に関するデータより、１℃当たりの質量増分が１％以上となる温度を材料の酸化温度と定義する。本予備実験を行うことで、各材料種の酸化温度を見積もることができる。この結果から、チタン合金の酸化温度は５１０℃と見積もることができた。

次に図９と図１０を参照して、大気が遮蔽されているシールドガス雰囲気下領域２４を概算する。図９は酸素濃度計によって測定した地点（２７ａ～２７ｅ）を説明した図であり、図１０は図９の測定点における酸素濃度計測結果である。レーザを出射させることなく、加工ヘッド１０を固定する。この時にシールドガス２２を出射させる。シールドガス流量は任意であり、作業者が自由に変更してよい。次に、加工ヘッド１０直下に酸素濃度計を配置させ、酸素濃度を測定する。次に加工ヘッド１０または酸素濃度計をずらしていき、加工ヘッド１０から酸素濃度計を少しずつ離していき、２７ａ～２７ｅまで計測する。この時、加工ヘッド１０をずらす方向はこれから造形をするＸ軸、Ｙ軸平面に移動させるものとする。加工ヘッド１０と酸素濃度計が少しずつ離れることによって、酸素濃度計までシールドガスが届かなくなり、徐々に酸素濃度が増加する。酸素濃度が１％以上に達した地点の距離を２７ｄとする。つまり、造形加工点から離れた２７ａ～２７ｄの範囲においては、シールドガスにより酸化がしにくい環境であることが言える。温度測定点はシールドガス雰囲気下２４で覆われた任意の点でよい。ここでは、シールドガス雰囲気下との境界２６を測定点とする。

次に、金属積層造形体の製造装置１００を用いて造形を行う。まず、各種設置について説明する。ベース材１７をステージ１５に取り付ける。ワイヤ５を回転モータ４に取り付け、ワイヤノズルを通してベース材１７近傍に近づける。このとき、ワイヤはベース材１７に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。放射温度計を加工ヘッド１０同軸に設置させ、前記測定点２６を測定するように設置する。これにより、加工ヘッド１０が動いた際に、加工ヘッド１０に追随して放射温度計が動き常に加工点から測定点を測定することができる。この設定方法は一例であり、例えば独立したサーモビューアを設置し、サーモビューア上で測定点を選ぶ方法であってもよい。ステージを動かし加工ヘッド１０を動かさない場合もあるが、同様に加工点から温度測定点２６を測定できるように設置できればよい。

ワイヤ原料、ベース材１７、温度計側部９を設置し、酸化温度データを事前取得し、温度計測ができれば造形を開始する。所定のレーザ出力、ワイヤ供給量、軸速度でワイヤ先端を溶かし、溶かした液体の堆積させていく。ここでは、主要なパラメータについて記載しているが、その他に、ビーム径やそれらに係るレーザ発振に関するパラメータもある。

造形開始時から造形序盤における、測定点２７ｄの温度は３００℃程度であり、酸化は進行していないと判断できるため、ステップＳ３０に基づき造形を継続した。造形が進むにつれて温度が上昇していき、ある地点において酸化温度の５１０℃を超過した。ここでステップＳ４０に基づき、加工ヘッド１０の移動を止めてレーザの発振も停止させた。ステップＳ５０に移行し、測定温度は徐々に低下していく様子が確認できた。酸化温度である５１０℃を下回る温度であればいつでもよく、５１０℃を下回った直後に造形を再開しても、３００℃や１００℃まで温度が下がったのを確認してから造形を再開してもよい。開始温度はこれに限るものではなく、酸化温度以下であれば何度であってもよい。次に、温度が所定温度を下回ったことからステップＳ６０に移行し、造形を再開する。この時は、造形のパラメータは変更してもよい。その後は、同様に温度を見ながらＳ３０～Ｓ７０に基づき造形を進め、造形物を作製した。

得られた造形物の酸素量は赤外線吸収法で測定を実施した。造形物の酸素量の測定方法は当方式に限らない。チタン合金の規格は０．２ｗｔ％以下と定められており、それ以下であることが確認でき、酸素量が規格を満足することがわかった。

（比較例１）
比較例１では、酸化温度および温度測定による制御の効果を検証するために、制御を行わず造形を進めた。つまりは、造形開始当初のパラメータで連続的に造形を行った。造形までの設置に関しては、実施例１と同様に準備を行った。実施例１で制御を開始したタイミングで造形を止めることなく、造形を実施した。比較のために造形時の温度を測定したところ、５１０℃を超えて８００℃以上の温度が観測された。チタン合金の酸化温度を超えていることから、酸化が進行することは容易に推定できる。実際に酸素量を測定した結果、規格の０．２ｗｔ％を超過していた。

（比較例２）
比較例２では、実施例１中で言及したシールドガス雰囲気下領域２４について調査した。比較例２ではシールドガス雰囲気下領域２４として、酸素濃度が１．５％以下の範囲と定義した。加工点から離れるにつれて、測定される酸素濃度は上昇するため、酸素濃度を１．５％以下の範囲は図９の２７ｅで記載される地点である。つまりは、実施例１よりも加工点から離れた位置を指している。今回は、温度を計測する範囲として、酸素濃度が１．０％より大きく１．５％以下である任意の点（２７ｄ～２７ｅの範囲）で測定を実施することとした。

実施例１と同様にして設置を行い、造形を開始した。造形開始時から造形序盤の測定点２７ｅの温度は２５０℃程度であり、酸化は進行していないと判断できるため、ステップＳ３０に基づき造形を継続した。実施例１よりも加工点から離れているため、測定される温度は実施例１よりも低いが、徐々に５１０℃に近づき、酸化温度の５１０℃を超えた。ここでステップＳ４０に基づき、加工ヘッド１０の移動を止めてレーザの発振も停止させた。ステップＳ５０に移行し、測定温度は徐々に低下していく様子が確認できた。酸化温度である５１０℃を下回る温度であればいつでもよく、５１０℃を下回った直後に造形を再開しても、３００℃や１００℃まで温度が下がったのを確認してから造形を再開してもよい。開始温度はこれに限るものではなく、酸化温度以下であれば何度であってもよい。次に、温度が所定温度を下回ったことからステップＳ６０に移行し、造形を再開する。この時は、造形のパラメータは変更してもよい。その後は、同様に温度を見ながらＳ３０～Ｓ７０に基づき造形を進め、造形物を作製した。

得られた造形物はこれまで同様に酸素量を測定した結果、規格の０．２ｗｔ％を超過していた。規格を満足していないために不可とした。

このことから、シールドガス雰囲気下領域２４として酸素濃度が１．０ｗｔ％以下の地点が造形物の酸化を見極めるに当たり有効であると推定できる。

（比較例３）
これまで実施例１では、酸化温度として５１０℃と規定していた。これは、１℃当たりの質量増加分が１％以上となる温度を指していた。比較例３では、酸化温度と規定する温度について調査した。比較検証のために、比較例３では酸化温度として、１℃当たりの質量増加分が２％以上となる温度の５８０℃を酸化温度とした。

実施例１と同様にして設置を行い、造形を開始した。造形開始時から造形序盤の測定点２７ｄの温度は３００℃程度であり、酸化は進行していないと判断できるため、ステップＳ３０に基づき造形を継続した。造形が進むにつれて測定点の温度が上昇し、実施例１での酸化温度５１０℃を超過した。本比較例３では、５１０℃では酸化温度以下であるとして、そのまま造形を進め、５８０℃を超えるまで制御することなく造形を進めた。更に造形を進め、５８０℃となった時点で、ステップＳ３０に基づきステップＳ４０に移行した。ここでステップＳ４０に基づき、加工ヘッド１０の移動を止めてレーザの発振も停止させた。ステップＳ５０に移行し、測定温度は徐々に低下していく様子が確認できた。酸化温度である５８０℃を下回る温度であればいつでもよく、５８０℃を下回った直後に造形を再開しても、３００℃や１００℃まで温度が下がったのを確認してから造形を再開してもよい。開始温度はこれに限るものではなく、酸化温度以下であれば何度であってもよい。次に、温度が所定温度を下回ったことからステップＳ６０に移行し、造形を再開する。この時は、造形のパラメータは変更してもよい。その後は、同様に温度を見ながらＳ３０～Ｓ７０に基づき造形を進め、造形物を作製した。

得られた造形物はこれまで同様に酸素量を測定した結果、規格の０．２ｗｔ％を超過していた。規格を満足していないために不可とした。

以上の結果から、酸化温度として１℃当たりの質量増加分が２ｗｔ％以上となる温度と規定した場合は、造形物が酸化する結果が得られた。このことより、酸化温度としては、１℃当たりの質量増加分が１ｗｔ％以上となる温度と規定することは妥当であると考えられる。

（実施例２～５）
本実施例２～５では、図１１～１４を参照にして造形時のパスについて説明を行う。一般的に原料を溶かして堆積させる金属積層造形体の製造方式では、図１１に示すように、ベース材１７および造形物の上から、決められたパスに従って連続して造形を行うものである。例えば５０ｍｍの幅の薄板形状を造形する場合、ベース材１７にレーザとワイヤを供給して堆積させながら作製されるビードを一度に５０ｍｍ引き、堆積されたビードの上に更に１層積み重ねるようにしてビードを堆積させる。このように、連続的に原料を溶かして堆積させる方式を採用する場合が多い。このような連続的にビード形成させる造形パスのことを線ビードパスと称する。実施例２では、この線ビードを用いて造形を行った時について記載する。線ビードを用い、実施例１で行った制御を試みた。連続して造形をしているため、温度上昇が顕著であるが、本発明の制御によって、酸化を制御することができた。酸素量測定結果から、本造形が酸化していないことが確認できた。

次に実施例３では、連続的に造形を行う線ビードパスではなく、図１２に示すように、ワイヤにレーザを照射させて溶融したワイヤをベース材１７または造形物上に滴下してから、一度ワイヤを引き、隣の造形箇所に移動して再度溶融したワイヤを滴下する方式を採用した。１点を滴下してから次の点に移るまではレーザを照射しておらず、１点ずつ玉のように滴下されることから、玉ビードパスと称する。本造形パスを用いて、実施例１で行った制御を試みた。１点ずつ造形することから線ビードに比べて蓄熱は良く抑えられるが、長時間造形を行った場合や抜熱がしにくい形状を造形した場合には、酸化温度である５１０℃を超えることが確認された。そこで、実施例１に記載のような制御を実施して、造形を作製した。酸素量測定結果から、本造形が酸化していないことが確認できた。

次に実施例４では、線分ビード造形パスという造形パスについて説明をする。実施例２と３を足したものであり、図１３に示す造形パスである。線ビードと同様にレーザを照射して堆積されたビードを任意の長さで止め、玉ビードのように次の点に移動して再度線ビードを引く方式である。すなわち、材料であるワイヤに熱源を照射させて溶融し、前記ワイヤを前記造形領域に滴下して連続的に堆積させてから一度ワイヤを引き、移動して再度溶融した前記ワイヤを滴下して堆積させる。

ここで示す線ビードのビード長さは任意に設定することが可能である。また、玉ビードの後は必ず線ビードである必要はなく、玉ビードを複数回連続で作製してもよい。このような線ビードパスと玉ビードパスを組合せは造形パスで線分のようなビードになることから、線分ビードパスと称する。本線分造形パスを用いて、実施例１で行った制御を試みた。実施例２と３同様に、造形が進むにつれて、酸化温度である５１０℃を超えることが確認された。そこで、実施例１に記載のような制御を実施して、造形を作製した。酸素量測定結果から、本造形が酸化していないことが確認できた。

次に実施例５では、塗りつぶしパスについて説明する。これまでの説明では簡単のためにＸ軸方向に造形する模式図を元に説明してきたが、大面積を造形するにあたっては必ずしもＸ軸またはＹ軸に限られる一方向へ加工ヘッド１０を動かすものでなくても良く、ＸＹ平面を自由に移動する方が有効である。実施例２～４からなる造形パスを用いてＸＹ平面に自由に動かしながら造形する方法である。すなわち、材料であるワイヤに熱源を照射させて溶融し、造形領域の平面内の任意の方向に移動しながらワイヤを滴下する。一例について図１４を用いて説明する。Ｘ軸に掃引させた加工ヘッド１０をＹ軸方向に掃引させ、再度Ｘ軸に掃引させて中を塗りつぶすパスを形成する。このようなパスの場合は、測定点としては、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の同心円状を計測する必要がある。この場合は、独立した温度計側部９を造形装置１００の傍に置き、境界２６の複数点を計測するとよい。制御のフローとしては、実施例１と同様である。作製した造形物は酸素量測定結果から、本造形が酸化していないことが確認できた。以上のように、本発明の制御を用いた造形パスにおいて、酸化のない造形が実現できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、酸化温度とシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の温度から、理論的に酸化の有無について言及していた。これらの原理を用いて、本実施の形態２ではより簡便に温度を計測して金属積層造形体の製造装置の形態について説明する。以下、図１５から１６を参照して、パス間温度の有効性について説明する。

図１５は、本発明の実施の形態２における温度測定点を説明したものである。実施の形態２では、温度計側部９は、被加工物の温度を計測する。すなわち、ベース材１７または材料を積層する前に下地となる造形物の温度を計測する。以下では、そこから得られる温度をパス間温度と称する。パス間温度は造形される前の造形物のある地点の温度の総称であって、加工点の近傍の温度であっても加工点遠方の温度であってもよい。測定点は、例えば、シールドガスによるシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界よりも熱源が照射される位置に近い位置である。

実施の形態２ではパス間温度を測定することで、金属積層造形体の製造装置１００を制御するものである。パス間温度を制御に用いるに当たっては、実施の形態１で使用した材料の酸化温度とパス間温度の対応が必要である。つまりは、実施の形態１において酸化温度以上にある造形物のパス間温度を計測することによって、酸化温度とパス間温度の関係性を明らかにする。造形物が酸化温度以上である状態をパス間温度で間接的に測定することで、必ずしもシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の温度を計測しなくとも酸化の有無を間接的に制御することができる。

図１６は、金属積層造形体の製造装置１００を用いて、複数のレーザ出力において造形物を造形した時のシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の温度が酸化温度２９に達した時のパス間温度の関係性の模式図を示したものである。レーザ出力が大きくなるにつれて造形物への入熱が大きくなるため、入熱後の造形物温度の指標が酸化温度２９に定められている場合は、入熱前の造形物の温度であるパス間温度３０はより低くなることを表している。このことから、レーザ出力別にシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の温度が酸化温度２９となるときのパス間温度３０がわかり、この温度を持って金属積層造形体の製造装置１００の制御を行うことができる。

次に、本実施の形態２におけるパス間温度を使った制御のための事前計測と金属積層造形体の製造装置１００の動作について説明する。図１７は、本発明の実施の形態２における金属積層造形体の製造装置１００の動作を説明するフローチャートである。本フローチャートは、事前計測と金属積層造形体の造形の２つのパートからなる。

まずステップＳ１０にて、原料の酸化温度を熱重量示差熱分析によって、１℃当たりの質量増加分が１％以上となる温度を算出する。次にステップＳ２０にて、酸素濃度計を用いて、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界を計測する。次にステップＳ２１にて、上記境界および加工点近傍の温度を測定できるように温度計側部９を設置する。

次にステップＳ２２の事前造形として、本造形の目的の出力において造形を行う。上記境界の温度が材料の酸化温度を超えた時のパス間温度を計測しておく。本造形にて出力を変更する可能性がある場合は、出力を変更して同様にパス間温度を計測しておく。このように得た、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度が酸化温度を超える時のパス間温度をパス間疑似酸化温度と称する。以上をもって、事前計測が完了となる。

次に、金属積層造形体の製造装置１００を制御して造形を行う。造形は、実施の形態１で説明した制御装置１、加工ヘッド１０、レーザ発振器２、回転機構１６、事前計測結果に基づき造形を行うものである。

造形として、造形が開始した状態から、パス間温度をモニタリングして測定点が材料のパス間疑似酸化温度以上であるかを判定しながら造形するステップＳ３１を行う。造形開始時点では、造形物が蓄熱していない場合が多い。この場合は、事前に設定していた材料のパス間疑似酸化温度以下であるため制御の必要はなく、ステップＳ３１に戻る。

次に、造形が進むにつれて、パス間温度がパス間疑似酸化温度付近となる。パス間疑似酸化温度を超えた時点でステップＳ４１に移行する。ステップＳ４１では、パス間温度がパス間疑似酸化温度を超えたことを持って、造形パラメータの変更または造形の停止を行い、ステップＳ５１に移行する。造形制御とは、造形を休止して加工ヘッド１０の移動およびレーザの照射を止めること、造形の出力を段階的に落としていくこと、加工ヘッド１０の移動速度を遅くすることの少なくとも１つから選ばれる制御を指す。すなわち、制御装置１は、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、造形領域２３に照射される熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域２３を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う。

次に、ステップＳ５１において、パス間温度が材料のパス間疑似酸化温度以上の場合は引き続き制御を行い、パス間温度がパス間疑似酸化温度以下であることを確認したことを持って、造形可と判断して造形を再開するなど造形制御を解除するステップＳ６１へと移行する。造形を再開するにあたって、造形パラメータなどは可変してもよい。ここでは、造形を一度止める制御方法を記載しているが、止めるに限らなくてもよい。例えば、蓄熱に影響を及ぼすパラメータである出力を可変して、蓄熱を抑制できるのであれば必ずしも造形を止める必要はない。ステージＳ７１にて造形が完了しているかを判断し、造形を継続する場合は、温度測定点を行うステップＳ３１に戻り同様のフローで造形を行う。造形が完了している場合は、造形が終了となる。

このような制御を繰り返すことで、パス間温度の管理によって、間接的に酸化温度以上でシールドガスの及ばない範囲に暴露されることなく、酸化しない造形物の製造が可能となる。

以下では、具体的な事例を持ってパス間温度を用いた制御を説明する。

（実施例６）
ここでは、酸化しやすいチタン合金（Ｔｉ―６Ａｌ―４Ｖ）について述べる。酸化が明確であるため、チタン合金を用いたが、本発明の原理を用いればチタン合金に限定されることはなく、他の金属材料にも用いられてよい。

造形の前の予備計測として、チタン合金の酸化温度およびシールドガスにより大気が遮蔽されている領域を見積もるステップＳ１０、Ｓ２０からＳ２２は実施例１と同様に実施した。実施例１に従えば、チタン合金の酸化温度は５１０℃でありシールドガスの範囲は酸素濃度が１％以下の領域を指す。

次にステップＳ３１において、パス間温度とシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の測定温度の相関関係を取得した。パス間温度は、放射温度計を加工ヘッド１０同軸に設置させ、加工点から加工ヘッド１０の進行方向５ｍｍの地点を測定した温度である。この設定方法は一例であり、例えば独立したサーモビューアを設置し、サーモビューア上で測定点を選ぶ方法であってもよい。また、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度の計測は実施例１を参照に測定ができる環境を構築した。

事前相関関係取得のための実験として、例えば１０００Ｗ出力で実施した場合、シールドガスの及ぶ範囲の端の測定温度が５１０℃を超えるときにパス間温度は約３００℃であった。同様に１５００Ｗ出力の場合は、約２００℃といったように相関関係を取得し、ある出力に対してのパス間温度の所定の温度を算出した。

次に、金属積層造形体の製造装置１００を用いて造形を行う。まず、各種設置について説明する。ベース材１７をステージ１５に取り付ける。ワイヤ５を回転モータ４に取り付け、ワイヤノズルを通してベース材１７近傍に近づける。このとき、ワイヤ５はベース材１７に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。ワイヤ原料、ベース材１７、温度計側部９を設置し、パス間温度を測定することができれば、実際に制御を行いながら造形を開始する。所定のレーザ出力、ワイヤ供給量、軸速度でワイヤ先端を溶かし、溶かした液体の堆積させていく。ここでは、主要なパラメータについて記載しているが、その他に、ビーム径やそれらに係るレーザ発振に関するパラメータもある。

ここでは、１０００Ｗで造形を行った事例について説明をする。造形開始時から造形序盤におけるパス間温度は８０℃程度であり、パス間疑似酸化温度以下のため酸化は進行していないと判断できるため、ステップＳ３１に従い、造形を継続した。造形が進むにつれて温度が上昇していき、ある地点においてパス間温度がパス間疑似酸化温度を超過した。パス間疑似酸化温度を超過した時点で、ステップＳ４１に移行して造形を停止させ、加工ヘッド１０の移動を止めてレーザの発振も停止させた。ステップＳ５１に移行し、測定温度は徐々に低下していく様子が確認できた。

パス間疑似酸化温度を下回る温度であればいつでもよく、パス間疑似酸化温度を下回った直後に造形を再開しても、十分に温度が下がったのを確認してから造形を再開してもよい。開始温度はこれに限るものではなく、事前計測から見積もられるパス間疑似酸化温度以下であれば何度であってもよい。

次に、温度が所定温度を下回ったことからステップＳ６１に移行し、造形を再開する。この時は、造形のパラメータは変更してもよい。同様に温度計測を行い、パス間疑似酸化温度以上にならないように注意しながら造形を行い、パス間疑似酸化温度を超えた時に造形を停止して、温度が下がるのを確認してから造形を再開するステップＳ７１に移行して、同様の制御を行いながら造形物を作製した。パラメータを変えない事例について説明をしたが、例えば始めの出力は１５００Ｗでパス間疑似酸化温度が２００℃を超えたので、制御において１０００Ｗに変更してもよい。１０００Ｗに変更した場合のパス間疑似酸化温度は３００℃になるため、制御の判別する温度が変更される。

得られた造形物の酸素量は赤外線吸収法で測定を実施した。チタン合金の規格は０．２ｗｔ％以下と定められており、それ以下であることが確認でき、酸素量が規格を満足することがわかった。

実施の形態３．
実施の形態１および２では、酸化温度とシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の温度から、理論的に酸化の有無について言及し、より簡便な方式としてパス間温度について説明した。本実施の形態３では、代替方法として加工点の温度から制御を行う金属積層造形体の製造装置の形態について説明する。以下、図１８を参照して、加工点の温度の有効性について説明する。

図１８は、本発明の実施の形態３における温度計測点を説明したものである。実施の形態３では、温度計側部９は、材料が溶融されて形成された造形中の造形物の温度を計測し、測定点は熱源が照射される位置である加工点２０とし、そこから得られる温度を加工点温度と称する。加工点であるため、加工ヘッド１０同軸に備えられていることが特徴である。これにより、加工ヘッド１０が複雑な移動をしても確実に温度履歴を得ることが出来る。

実施の形態３では加工点温度を測定することで、金属積層造形体の製造装置１００を制御するものである。加工点温度を制御に用いるに当たっては、実施の形態１で使用した材料の酸化温度と加工点温度の対応が必要である。つまりは、実施の形態１において酸化温度以上にある造形物の加工点温度を計測することによって、酸化温度と加工点温度の関係性を明らかにする。造形物が酸化温度以上である状態を加工点温度で間接的に測定することで、必ずしもシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の温度を計測しなくとも酸化の有無を間接的に制御することができる。

図１９は、金属積層造形体の製造装置１００を用いて、酸化温度２９と加工点温度３１の関係性の模式図を示したものである。加工点温度３１は造形直上の温度であり総じて酸化温度よりも高いが、レーザ出力が増加につれて加工点温度３１は増加していることが分かる。このことから、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界２６の温度が酸化温度２９となるときの加工点温度３１がわかり、加工点温度３１を持って金属積層造形体の製造装置１００の制御を行うことができる。

次に、本実施の形態３における加工点温度を使った制御のための事前計測と金属積層造形体の製造装置１００の動作について説明する。図２０は、本発明の実施の形態３における金属積層造形体の製造装置１００の動作を説明するフローチャートである。本フローチャートは、事前計測と金属積層造形体の造形の２つのパートからなる。

まずステップＳ１０にて、原料の酸化温度を熱重量示差熱分析によって、１℃当たりの質量増加分が１％以上となる温度を算出する。次にステップＳ２０にて、酸素濃度計を用いて、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界を計測する。次にステップＳ２４にて、上記境界および加工点温度を測定できるように温度計側部９を設置する。

次にステップＳ２５の事前造形として、本造形の目的の出力において造形を行う。上記境界の温度が材料の酸化温度を超えた時の加工点温度を計測しておく。本造形にて出力を変更する可能性がある場合は、出力を変更して同様に加工点温度を計測しておく。このように得た、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度が酸化温度を超える時の加工点温度を加工点疑似酸化温度と称する。以上をもって、事前計測が完了となる。

次に、金属積層造形体の製造装置１００を制御して造形を行う。造形は、実施の形態１で説明した制御装置１、加工ヘッド１０、レーザ発振器２、回転機構１６、事前計測結果に基づき造形を行うものである。

造形として、造形が開始した状態から、加工点温度をモニタリングして測定点が材料の加工点疑似酸化温度以上であるかを判定しながら造形するステップＳ３２を行う。造形開始時点では、加工点は融点付近である場合が多い。この場合は、材料の加工点疑似酸化温度以下であるため制御の必要はなく、ステップＳ３２に戻る。

次に、造形が進むにつれて、加工点温度が加工点疑似酸化温度付近となる。加工点疑似酸化温度を超えた時点でステップＳ４２に移行する。ステップＳ４２では、加工点温度が加工点疑似酸化温度を超えたことを持って、造形パラメータの変更または造形の停止を行い、ステップＳ５１に移行する。造形制御とは、造形を休止して加工ヘッド１０の移動およびレーザの照射を止めること、造形の出力を段階的に落としていくこと、加工ヘッド１０の移動速度を遅くすることの少なくとも１つから選ばれる制御を指す。すなわち、制御装置１は、造形中における測定点の温度が、材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、造形領域２３に照射される熱源の出力の停止、出力の減少、または造形領域２３を移動する熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う。

次に、ステップＳ５２において、加工点温度が材料の加工点疑似酸化温度以上の場合は引き続き制御を行い、加工点温度が加工点疑似酸化温度以下であることを確認したことを持って、造形可と判断して造形を再開するなど造形制御を解除するステップＳ６２へと移行する。造形を再開するにあたって、造形パラメータなどは可変してもよい。ここでは、造形を一度止める制御方法を記載しているが、止めるに限らなくてもよい。例えば、蓄熱に影響を及ぼすパラメータである出力を可変して、蓄熱を抑制できるのであれば必ずしも造形を止める必要はない。ステージＳ７２にて造形が完了しているかを判断し、造形を継続する場合は、温度測定点を行うステップＳ３２に戻り同様のフローで造形を行う。造形が完了している場合は、造形が終了となる。

このような制御を繰り返すことで、加工点温度の管理によって、間接的に酸化温度以上でシールドガスの及ばない範囲に暴露されることなく、酸化しない造形物の製造が可能となる。

以下では、具体的な事例を持って加工点温度を用いた制御を説明する。

（実施例７）
ここでは、酸化しやすいチタン合金（Ｔｉ―６Ａｌ―４Ｖ）について述べる。酸化が明確であるため、チタン合金を用いたが、本発明の原理を用いればチタン合金に限定されることはなく、他の金属材料にも用いられてよい。造形の前の予備計測として、チタン合金の酸化温度およびシールドガスにより大気が遮蔽されている領域を見積もるステップＳ１０、Ｓ２０、Ｓ２４は実施例１と同様に実施した。実施例１に従えば、チタン合金の酸化温度は５１０℃でありシールドガスの範囲は酸素濃度が１％以下の領域を指す。

次にステップＳ２５において、加工点温度とシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の測定温度の相関関係を取得した。加工点温度は、放射温度計を加工ヘッド１０直上に設置させ、加工点の温度を測定したものである。また、シールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度の計測は実施例１を参照に測定ができる環境を構築した。

事前相関関係取得のための実験として、例えば１０００Ｗ出力で実施した場合、シールドガスの及ぶ範囲の端の測定温度が５１０℃を超えるときに加工点温度は約１８００℃であった。同様に１５００Ｗ出力の場合は、約１９００℃といったように相関関係を取得し、ある出力に対しての加工点温度を算出した。

次に、金属積層造形体の製造装置１００を用いて造形を行う。まず、各種設置について説明する。ベース材１７をステージ１５に取り付ける。ワイヤ５を回転モータ４に取り付け、ワイヤノズルを通してベース材１７近傍に近づける。このとき、ワイヤはベース材１７に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。ワイヤ原料、ベース材、温度計側部９を設置し、パス間温度を測定することができれば、実際に制御を行いながら造形を開始する。所定のレーザ出力、ワイヤ供給量、軸速度でワイヤ先端を溶かし、溶かした液体の堆積させていく。ここでは、主要なパラメータについて記載しているが、その他に、ビーム径やそれらに係るレーザ発振に関するパラメータもある。

ここでは、１０００Ｗで造形を行った事例について説明をする。造形開始時の加工点温度は融点近傍の１７００℃程度であり、加工点疑似酸化温度以下のため酸化は進行していないと判断できるため、ステップＳ３２に従い、造形を継続した。造形が進むにつれて温度が上昇していき、ある地点において加工点温度が加工点疑似酸化温度の１８００℃を超過した。加工点疑似酸化温度を超過した時点で、ステップＳ４２に移行して造形を停止させ、加工ヘッド１０の移動を止めてレーザの発振も停止させた。ステップＳ５２に移行し、測定温度は徐々に低下していく様子が確認できた。

加工点疑似酸化温度を下回る温度であればいつでもよく、加工点疑似酸化温度を下回った直後に造形を再開しても、十分に温度が下がったのを確認してから造形を再開してもよい。開始温度はこれに限るものではなく、事前計測から見積もられる加工点疑似酸化温度以下であれば何度であってもよい。次に、温度が所定温度を下回ったことからステップＳ６２に移行し、造形を再開する。この時は、造形のパラメータは変更してもよい。同様に温度計測を行い、加工点疑似酸化温度以上にならないように注意しながら造形を行い、加工点疑似酸化温度を超えた時に造形を停止して、温度が下がるのを確認してから造形を再開するステップＳ７２に移行して、同様の制御を行いながら造形物を作製した。

得られた造形物の酸素量は赤外線吸収法で測定を実施した。チタン合金の規格は０．２ｗｔ％以下と定められており、それ以下であることが確認でき、酸素量が規格を満足することがわかった。

かかる手法を用いれば、加工点温度以外に溶融池の輝度や幅の情報からも温度を類推することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、実施の形態同士の技術を組み合わせることも可能であるし、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の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 制御装置、２ レーザ発振器、３ ファイバーケーブル、４ 回転モータ、５ ワイヤ、６ ワイヤスプール、７ ガス供給装置、８ 配管、９温度計側部、１０ 加工ヘッド、１１ ビームノズル、１２ ワイヤノズル、１３ ガスノズル、１４ ヘッド駆動装置、１５ ステージ、１６ 回転機構、１７ ベース材、１８ 堆積物、１９材料供給部、２０ａ 加工点、２０ｂ 加工点、２１レーザビーム、２２シールドガス、２３造形領域、２４シールドガス雰囲気下領域、２５大気雰囲気下領域、２６シールドガス雰囲気下領域と大気雰囲気下領域の境界、２７ａ 酸素濃度測定点（加工点）、２７ｂ 酸素濃度測定点（シールドガス雰囲気下領域）、２７ｃ 酸素濃度測定点（シールドガス雰囲気下領域）、２７ｄ 酸素濃度測定点（酸素濃度が１％となる位置）、２７ｅ 酸素濃度測定点（酸素濃度が１．５％となる位置）、２８ パス間温度測定点、２９ 酸化温度、３０ パス間温度測定値、３１ 加工点温度測定値、４１ ＣＰＵ、４２ ＲＡＭ、４３ ＲＯＭ、４４ 外部記憶装置、４５ 入出力インタフェース、４６ バス、ＣＬ レーザ中心、 １００ 金属積層造形体の製造装置。

Claims (4)

1. 金属積層造形体の材料を造形領域に供給する材料供給部と、
   前記材料を溶融する熱源を前記造形領域に照射する照射部と、
   前記造形領域へシールドガスを噴出するガス供給部と、
   前記造形領域における測定点の温度を計測する温度計側部と、
   造形中における前記測定点の温度が、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、前記造形領域に照射される前記熱源の出力の停止、出力の減少、または前記造形領域を移動する前記熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う制御装置と
   を備え、
   前記温度計側部は、前記材料が溶融されて形成された造形中の造形物の温度を計測し、前記測定点は、前記シールドガスによるシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界よりも前記熱源が照射される位置に近い位置であり、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度は、前記材料の酸化温度以下の温度である
   金属積層造形体の製造装置。
2. 金属積層造形体の材料を造形領域に供給する材料供給部と、
   前記材料を溶融する熱源を前記造形領域に照射する照射部と、
   前記造形領域へシールドガスを噴出するガス供給部と、
   前記造形領域における測定点の温度を計測する温度計側部と、
   造形中における前記測定点の温度が、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、前記造形領域に照射される前記熱源の出力の停止、出力の減少、または前記造形領域を移動する前記熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う制御装置と
   を備え、
   前記温度計側部は、造形物の材料となる堆積物または前記堆積物が堆積されるベース材の温度であるパス間温度を計測し、記測定点は、前記堆積物またはベース材の任意の位置であり、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度は、造形前に計測されたシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度が酸化温度を超える時のパス間温度である金属積層造形体の製造装置。
3. 金属積層造形体の材料を造形領域に供給する材料供給部と、
   前記材料を溶融する熱源を前記造形領域に照射する照射部と、
   前記造形領域へシールドガスを噴出するガス供給部と、
   前記造形領域における測定点の温度を計測する温度計側部と、
   造形中における前記測定点の温度が、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、前記造形領域に照射される前記熱源の出力の停止、出力の減少、または前記造形領域を移動する前記熱源の移動速度の減少または停止の少なくともいずれか一つの制御を行う制御装置と
   を備え、
   前記温度計側部は、前記材料が溶融されて形成された造形中の造形物の加工点温度を計測し、記測定点は、前記熱源が照射される加工点の位置であり、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度は、造形前に計測されたシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度が酸化温度を超える時の加工点温度である金属積層造形体の製造装置。
4. 金属積層造形体の材料を造形領域に供給する工程と、
   前記材料を溶融する熱源を前記造形領域に照射する工程と、
   前記造形領域へシールドガスを噴出する工程と、
   前記造形領域における測定点の温度を計測する工程と、
   造形中における前記測定点の温度が、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度に達した場合、前記造形領域に照射される前記熱源の出力の停止、出力の減少、または前記造形領域を移動する前記熱源の移動速度の減少又は停止の少なくともいずれか一つの制御を行う工程と
   を備え、
   前記温度を計側する工程では、造形物の材料となる堆積物または前記堆積物が堆積されるベース材の温度であるパス間温度を計測し、記測定点は、前記堆積物またはベース材の任意の位置であり、前記材料の酸化温度に基づき設定される温度は、造形前に計測されたシールドガス雰囲気下と大気雰囲気下の境界の温度が酸化温度を超える時のパス間温度である金属積層造形体の製造方法。

Images