JP7154735B2 - ３次元積層装置及びその粉体温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元積層装置及び３次元積層装置で使用する粉体の温度を制御する粉体温度制御方法に関する。

３次元積層装置による造形は、複雑で精緻な部品形状が実現できるものとして期待されている。

特開２０１５－３８２３７号公報

従来の３次元積層装置の一例を図１４に示す。従来の３次元積層装置は、造形する造形物Ｓｆの原料となる球状の粉体Ｐｗを貯留するパウダーポッド５１と、パウダーポッド５１から供給された粉体Ｐｗを後述する造形タンク５３内のベースプレート５４上に敷設して、所定の厚さで平坦にスキージングするスキージング装置５２と、造形タンク５３内を上下に昇降すると共に造形する造形物の土台となるベースプレート５４と、粉体Ｐｗの溶融熱源となるレーザ５５と、レーザ５５から供給されたレーザ光を走査して、ベースプレート５４上に敷設された粉体Ｐｗの断面形状領域Ａに照射する走査光学系５６とを有している。この断面形状領域Ａは、造形物Ｓｆを水平に薄くスライスして分割した複数の断面形状層の中の１つの２次元平面形状を示す領域である。

上述した従来の３次元積層装置においては、パウダーポッド５１からスキージング装置５２に粉体Ｐｗを供給し、スキージング装置５２によりベースプレート５４上に粉体Ｐｗを敷設すると、ベースプレート５４上に敷設された粉体Ｐｗの断面形状領域Ａにレーザ５５からのレーザ光が照射され、レーザ光が照射された粉体Ｐｗが焼結又は溶融固化して、造形物Ｓｆを構成する造形層が造形される。その後、ベースプレート５４が下降し、同様の手順で次の造形層が造形される。このような手順を繰り返すことにより、最終的には、所望の造形物Ｓｆが造形される。

３次元積層装置において、造形時の熱履歴は、材料の微細構造（結晶構造、組成など）に影響し、強度などの部品品質を大きく左右する要因である。例えば、図１４に示した従来の３次元積層装置においては、ベースプレート５４若しくは下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの上に新たな粉体Ｐｗを敷き詰める方式であるが、焼結又は溶融固化の対象となる粉体Ｐｗは、一般に、ベースプレート５４若しくは下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗからの熱によって加熱されている。このような従来の３次元積層装置においては、以下のように、粉体Ｐｗの温度がばらつくと言う問題がある。

（１）球状の粉体Ｐｗ同士は接触面積が小さく、粉体Ｐｗ間の熱伝導率はバルクに比べて著しく低いため、下層側のバルク（造形物Ｓｆ）から直接熱を受けている下部の粉体Ｐｗとその上部の粉体Ｐｗとでは、温度の差異が生じる。造形物Ｓｆを構成する造形層であって、直近で造形した造形層を直近造形層Ｌｐとすると、例えば、図１５に示すように、直近造形層Ｌｐから直接熱を受けている下部の粉体Ｐｗとその上部の粉体Ｐｗとでは温度が異なる状態となる。なお、図１５においては、温度が高いほどグレーの濃度を濃くし、温度が低いほどグレーの濃度を薄くして示している。

（２）３次元積層装置では、加熱及び冷却の速度が大きいため、直近造形層Ｌｐにおいては、場所毎の温度のばらつきが生じやすい。例えば、レーザ５５の出力や走査速度が一定であっても、走査パターンや部品形状によって、加熱される時間間隔が場所毎に変動するため、直近造形層Ｌｐの温度は場所によって違いが生じる。そのため、例えば、図１６に示すように、直近造形層Ｌｐが場所毎に温度がばらついていると、その影響を受けて、直近造形層Ｌｐの上に敷設された粉体Ｐｗも場所毎に温度がばらつく状態となる。なお、図１６においても、温度が高いほどグレーの濃度を濃くし、温度が低いほどグレーの濃度を薄くして示している。

そして、従来の３次元積層装置では、１回のレーザ照射による加熱で確実に粉体Ｐｗを焼結又は溶融させる必要があるため、レーザ５５の出力が高出力となっている。そのため、上述したように、場所によって、粉体Ｐｗの温度にばらつきがあると、レーザ加熱前の粉体Ｐｗの温度が高い部分では、入熱過剰となり易く、その結果、粉体Ｐｗの蒸発が起き易くなる。入熱量に対する粉体Ｐｗの温度変化を示すグラフと１回の高出力のレーザ加熱との関係を図１７に示してみると、１回のレーザ加熱を高出力で行うため、加熱前の粉体Ｐｗの温度が高い部分には、結果として、粉体Ｐｗの沸点を超える入熱量が与えられることになり、その部分の粉体Ｐｗの蒸発が起きてしまう。この粉体Ｐｗの蒸発が起こると、造形品質を悪化させ、また、装置自体を傷めるおそれもある。

このように、レーザ加熱前の粉体Ｐｗの温度が場所によってばらついているので、造形時におけるレーザ５５の基本パラメータ（出力や走査速度など）のみを制御しても、造形物Ｓｆ全体で所望の微細構造又は微細構造分布を得ることは困難である。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、粉体への熱履歴を高精度で実現することができる３次元積層装置及びその粉体温度制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る３次元積層装置は、
敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、
前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱手段と、
前記造形加熱手段による加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて敷設された前記粉体全体を上方から加熱する予熱加熱手段と
を有し、
前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
前記造形加熱手段は、前記粉体を前記予熱温度から直接前記造形温度に加熱する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る３次元積層装置は、
上記第１の発明に記載の３次元積層装置において、
前記造形加熱手段は、レーザ又はイメージ炉のいずれか一方である
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る３次元積層装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の３次元積層装置において、
前記予熱加熱手段による加熱の後であって、前記造形加熱手段による加熱の前に、前記粉体をスキージングするスキージング装置を有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る３次元積層装置は、
上記第１～第３のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置において、
前記予熱加熱手段は、敷設された前記粉体を加熱するものであって、レーザ、イメージ炉又は前記粉体をスキージングするスキージング装置のスキージングブレードを加熱する加熱手段のいずれか１つである
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る３次元積層装置は、
上記第１～第４のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置において、
前記予熱加熱手段は、敷設された前記粉体を場所毎に異なる温度に加熱する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る３次元積層装置は、
上記第１～第６のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置において、
前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度である
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る３次元積層装置は、
上記第７の発明に記載の３次元積層装置において、
前記予熱温度は、前記粉体が金属材料である場合、４００℃から前記粉体の融点より４００℃低い温度までの温度である
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第９の発明に係る３次元積層装置は、
上記第１～第８のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置において、
前記予熱加熱手段による加熱中に、前記粉体に振動を与える振動装置を有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１０の発明に係る３次元積層装置は、
上記第１～第９のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置において、
前記造形温度は、前記粉体の沸点未満の温度である
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１１の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、前記粉体の温度を制御する粉体温度制御方法であって、
前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱ステップと、
前記造形加熱ステップでの加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて敷設された前記粉体全体を上部から加熱する予熱加熱ステップと
を有し、
前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
前記造形加熱ステップは、前記粉体を前記予熱温度から直接前記造形温度に加熱する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１２の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１１の発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記造形加熱ステップでは、レーザ又はイメージ炉のいずれか一方を用いて加熱する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１３の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１１又は第１２の発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記予熱加熱ステップでの加熱の後であって、前記造形加熱ステップでの加熱の前に、前記粉体をスキージングする
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１４の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法法は、
上記第１１～第１３のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記予熱加熱ステップでは、レーザ、イメージ炉又は前記粉体をスキージングするスキージング装置のスキージングブレードを加熱する加熱手段のいずれか１つを用いて、敷設された前記粉体を加熱する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１５の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１１～第１３のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記予熱加熱ステップでは、敷設前の前記粉体を貯留するパウダーポッドを加熱する加熱手段、又は、前記粉体をスキージングするスキージング装置に供給された前記粉体を熱風で加熱する加熱手段のいずれか一方を用いて、敷設前の前記粉体を加熱する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１６の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１１～第１４のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記予熱加熱ステップでは、敷設された前記粉体を場所毎に異なる温度に加熱する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１７の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１１～第１６のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度である
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１８の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１７の発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記予熱温度は、前記粉体が金属材料である場合、４００℃から前記粉体の融点より４００℃低い温度までの温度である
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第１９の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１１～第１８のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記予熱加熱ステップでの加熱中に、前記粉体に振動を与える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２０の発明に係る３次元積層装置の粉体温度制御方法は、
上記第１１～第１９のいずれか１つの発明に記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
前記造形温度は、前記粉体の沸点未満の温度である
ことを特徴とする。

本発明によれば、３次元積層装置において、粉体への熱履歴を高精度で実現することができ、その結果、所望の微細構造又は微細構造分布を得ることができる。

本発明に係る３次元積層装置の実施形態の一例（実施例１）を示す概略図ある。 図１に示した３次元積層装置における粉体温度制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示した３次元積層装置で制御した粉体の温度状態の一例を説明する説明図である。 図２に示したフローチャートを説明するグラフである。 図１に示した３次元積層装置の変形例を示す概略図である。 図１に示した３次元積層装置の他の変形例を示す概略図である。 本発明に係る３次元積層装置の実施形態の他の一例（実施例２）を示す概略図ある。 図７に示した３次元積層装置の変形例を示す概略図である。 図７に示した３次元積層装置における粉体温度制御方法の一例を示すフローチャートである。 本発明に係る粉体温度制御方法の実施形態の他の一例（実施例３）を示すフローチャートある。 図１０に示した粉体温度制御方法で制御した粉体の温度状態の一例を説明する説明図であり、（ａ）は、加熱前の図、（ｂ）は、加熱後の図である。 図１０に示した粉体温度制御方法で制御した粉体の温度状態の他の一例を説明する説明図である。 図１０に示した粉体温度制御方法の変形例を示す概略図である。 従来の３次元積層装置の一例を示す概略図である。 図１４に示した従来の３次元積層装置における粉体温度のばらつきの一例を説明する説明図である。 図１４に示した従来の３次元積層装置における粉体温度のばらつきの他の一例を説明する説明図である。 図１５及び図１６で説明した粉体温度のばらつきに起因する問題を説明するグラフである。

以下、本発明に係る３次元積層装置及びその粉体温度制御方法の実施形態について、図１～図１３を参照して説明を行う。

［実施例１］
本実施例の３次元積層装置を図１に示す。本実施例において、３次元積層装置は、造形する造形物Ｓｆの原料となる球状の粉体Ｐｗを貯留するパウダーポッド１１と、パウダーポッド１１から供給された粉体Ｐｗを後述する造形タンク１３内のベースプレート１４上に敷設して、厚さＤで平坦にスキージングするスキージング装置１２と、造形タンク１３内を上下に昇降すると共に造形する造形物Ｓｆの土台となるベースプレート１４と、粉体Ｐｗの溶融熱源となるレーザ１５と、レーザ１５から供給されたレーザ光を走査して、ベースプレート１４上に敷設された粉体Ｐｗの断面形状領域Ａに照射する走査光学系１６とを有している。なお、ベースプレート１４は、ヒータなどにより、後述する予熱温度に加熱されている。

図１に示した３次元積層装置は、基本的には、「粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion）方式」の装置であるが、以上説明した構成に加えて、粉体の温度を制御する構成として、予熱加熱手段及び造形加熱手段となる上述したレーザ１５及び走査光学系１６と、レーザ１５及び走査光学系１６を制御する制御手段となる制御装置３０とを少なくとも有している。更に、本実施例では、ベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの温度を検出する赤外線検出手段となる赤外線カメラ２１と、造形タンク１３内の粉体Ｐｗに振動を与える振動装置２２を有する構成としても良い。なお、レーザ光に代えて、電子ビームを用いても良く、その場合には、上記レーザ１５及び走査光学系１６に代えて、電子ビーム源及び走査コイルなどが用いられる。また、赤外線カメラ２１に代えて、例えば、赤外線放射温度計などの温度計でも良い。

そして、本実施例では、３次元積層装置で造形物Ｓｆを造形する際、粉体Ｐｗを焼結又は溶融固化する前に、粉体Ｐｗの温度制御を行うようにしている。この制御について、図１と共に、図２～図４を参照して説明を行う。

（ステップＳ１）
粉体Ｐｗに対する加熱計画を作成する。加熱計画は、予熱運転及び造形運転を実施するための予熱運転パラメータ及び造形運転パラメータとからなり、造形物形状データ、微細構造制御データなどに基づいて、設定されている。この加熱計画では、積層過程全体及びを造形物Ｓｆ全体において、造形運転前の粉体Ｐｗの温度を均一にし、かつ、投入エネルギー密度も一定にするようにしており、これにより、造形物Ｓｆの造形品質を安定化させることが可能である。

ここで、予熱運転は、敷設した粉体Ｐｗの下部と上部との温度ムラを低減するため、粉体Ｐｗを融点未満の予熱温度に加熱する運転である。また、造形運転は、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱した後、粉体Ｐｗを焼結又は溶融する沸点未満の造形温度に加熱する運転である。予熱温度は、粉体Ｐｗ同士が結合しない温度であることが重要であり、粉体Ｐｗが金属材料である場合、４００℃から粉体Ｐｗの融点より４００℃低い温度までの温度としている。

また、造形物形状データは、造形物Ｓｆの形状についての情報を有し、微細構造制御データは、造形物Ｓｆの微細構造を制御する情報、例えば、粉体Ｐｗの溶融温度や冷却速度に関するデータを用いて、所望の微細構造を形成する温度制御を行う情報を有している。また、造形物形状データは、造形物Ｓｆを支持するサポートの位置情報や、微細構造の位置情報を含んでいても良い。

従って、予熱運転パラメータでは、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱するレーザ出力やレーザ走査速度などが設定されている。ここでは、敷設した粉体Ｐｗ全体を予熱温度に加熱すれば良いので、粉体Ｐｗの特性（材質、大きさなど）に基づいて、レーザ出力やレーザ走査速度などを設定すれば良い。また、造形運転パラメータでは、粉体Ｐｗを予熱温度から造形温度に加熱するレーザ出力やレーザ走査速度などが設定されている。造形運転は、造形物Ｓｆの形状や部品品質に直接関係するので、造形物形状データ、微細構造制御データなどに基づいて、レーザ出力、レーザ走査速度、レーザ走査パターンなどを設定している。

なお、予熱運転パラメータ及び造形運転パラメータを作成する際には、赤外線カメラ２１を用いて、運転前のベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの温度を測定しておき、測定した測定温度に基づいて、予熱運転パラメータ及び造形運転パラメータを作成しても良い。この際、この測定温度が融点未満であれば、この測定温度を予熱温度としても良い。

一方で、赤外線カメラ２１は用いずに、シミュレーションなどにより、運転前のベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの温度を予測し、予測した温度に基づいて、予熱運転パラメータ及び造形運転パラメータを作成しても良い。

同じ造形物Ｓｆを同じ３次元積層装置で量産する場合には、一度、運転前のベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの温度を測定又は予測しておけば、以降は、同様の温度傾向となるので、最初に測定又は予測した温度に基づいて作成した予熱運転パラメータ及び造形運転パラメータを用いれば良く、温度測定やシミュレーションなどは毎回行わなくても良い。つまり、このステップＳ１を省略可能である。更には、最初に測定又は予測した温度に基づいて作成した予熱運転パラメータ及び造形運転パラメータをデータベースに登録しておけば、同一仕様の他の３次元積層装置への適用も可能である。

（ステップＳ２）
パウダーポッド１１からスキージング装置１２に新たな粉体Ｐｗを供給し、スキージング装置１２により、ベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの上に、新たな粉体Ｐｗを敷設して、厚さＤで平坦にスキージングする。なお、この際、スキージング装置１２は、粉体Ｐｗのスキージングを行わなくても良く、粉体Ｐｗを敷設するだけでも良い。

（ステップＳ３）
予熱運転パラメータに基づいて、予熱加熱手段であるレーザ１５及び走査光学系１６を用いて、予熱運転を実施する。具体的には、走査光学系１６を介して、レーザ１５からのレーザ光を上方から粉体Ｐｗに照射し、敷設した粉体Ｐｗに所定の入熱量を与えて、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱する。予熱運転前は、例えば、図１５で示したように、直近造形層Ｌｐから直接熱を受けている下部の粉体Ｐｗとその上部の粉体Ｐｗとで温度のばらつきがあったが、このような予熱運転を行うことにより、図３に示すように、粉体Ｐｗの温度のばらつきを減少させ、全体を均一の予熱温度に制御することができる。

なお、予熱運転の際には、赤外線カメラ２１を用いて、加熱する粉体Ｐｗの温度を計測し、計測した温度をフィードバックして、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱するようにしても良い。また、予熱運転の際には、振動装置２２を用いて、造形タンク１３内の粉体Ｐｗに振動を与えても良く、これにより、造形運転前に、粉体Ｐｗ同士が焼結又は溶融しないようにしている。そして、予熱運転終了後には、スキージング装置１２によりスキージングを行って、粉体Ｐｗを厚さＤで平坦にする。

（ステップＳ４）
造形運転パラメータに基づいて、造形加熱手段でもあるレーザ１５及び走査光学系１６を用いて、造形運転を実施する。具体的には、走査光学系１６を介して、レーザ１５からのレーザ光を上方から粉体Ｐｗに照射し、予熱温度に加熱した粉体Ｐｗに所定の入熱量を与えて、粉体Ｐｗを造形温度に加熱する。粉体Ｐｗを造形温度に加熱することにより、粉体Ｐｗが焼結又は溶融することになる。

なお、造形運転の際にも、赤外線カメラ２１を用いて、加熱する粉体Ｐｗの温度を計測し、計測した温度をフィードバックして、粉体Ｐｗを造形温度に加熱するようにしても良い。

入熱量に対する粉体Ｐｗの温度変化を示すグラフと上述した予熱運転及び造形運転との関係を図４に示すと、粉体Ｐｗの融点未満の予熱温度まで予熱運転が行われ、その後、粉体Ｐｗの沸点未満の造形温度まで造形運転が行われることになる。このように、造形運転前に予熱運転を行って、粉体Ｐｗの融点未満の予熱温度まで加熱しているので、造形運転では、レーザ光を高出力する必要は無く、造形運転において、入熱過剰となる危険性を低減することができる。

（ステップＳ５）
焼結又は溶融した粉体Ｐｗが固化して、造形物Ｓｆを構成する造形層が造形された後、積層が終了であれば、手順を終了する。積層が終了でなければ、造形した造形層の温度が粉体Ｐｗの融点未満になるまで冷却した後、ベースプレート１４を厚さＤだけ下降して、ステップＳ１へ戻る。そして、積層が終了するまで、上述したステップＳ１～Ｓ４を繰り返すことにより、最終的に、所望の３次元形状の造形物Ｓｆが造形されることになる。

以上説明したように、造形運転の前に、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱する予熱運転を行うので、粉体Ｐｗの温度を高精度に制御して、所望の充填率、微細構造となる熱履歴を実現することができる。その結果、造形物Ｓｆの微細構造の制御が容易になり、強度等の部品品質が向上する。また、造形運転時における焼結又は溶融ムラも解消し、寸法精度が向上する。

なお、予熱加熱手段及び造形加熱手段として、図１に示したレーザ１５及び走査光学系１６に代えて、図５に示すように、イメージ炉２３を用いても良い。イメージ炉２３は、凹面鏡で赤外線などのエネルギーを集光して放射加熱するものであり、高速加熱、高速冷却が可能なものである。このようなイメージ炉２３を用いて、例えば、赤外線を上方から粉体Ｐｗへ照射して、粉体Ｐｗを予熱温度又は造形温度に加熱可能である。なお、図５においては、赤外線カメラ２１、振動装置２２及び制御装置３０の図示は省略しているが、制御装置３０がイメージ炉２３の温度や位置を制御可能な構成としており、また、赤外線カメラ２１及び振動装置２２を用いるようにしても良い。

また、予熱加熱手段段となる加熱手段として、図１に示したレーザ１５及び走査光学系１６や図５に示したイメージ炉２３に代えて、図６に示すように、赤外線ヒータ２４を用いても良い。例えば、スキージング装置１２のスキージングブレードに赤外線ヒータ２４を設け、敷設した粉体Ｐｗの表面上を移動するスキージングブレードを介して、赤外線ヒータ２４からの熱を粉体Ｐｗに与えて、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱するようにしている。なお、図６においても、赤外線カメラ２１、振動装置２２及び制御装置３０の図示は省略しているが、制御装置３０が赤外線ヒータ２４の温度や位置を制御可能な構成としており、また、赤外線カメラ２１及び振動装置２２を用いるようにしても良い。

［実施例２］
本実施例は、基本的には、図１に示した３次元積層装置と同等の構成を有しているが、予熱加熱手段が、実施例１とは相違する。従って、図７及び図８においては、予熱加熱手段及び関連する構成を図示し、他の構成、例えば、レーザ１５、走査光学系１６、赤外線カメラ２１、振動装置２２及び制御装置３０の図示は省略している。なお、造形加熱手段については、レーザ１５及び走査光学系１６に代えて、実施例１と同様に、電子ビーム源及び走査コイルやイメージ炉２３を使用可能である。

本実施例では、粉体Ｐｗの敷設前に、粉体Ｐｗを加熱する構成としている。例えば、図７に示すように、予熱加熱手段となる加熱手段として、パウダーポッド２５のヒータ（図示省略）を用い、制御装置３０の制御により、パウダーポッド２５内の粉体Ｐｗを予熱温度に加熱している。

また、例えば、図８に示すように、予熱加熱手段となる加熱手段として、熱風発生器２６を用い、制御装置３０の制御により、スキージング装置１２内の粉体Ｐｗに熱風を吹き付けて、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱している。球状の粉体Ｐｗ同士は伝熱性に乏しく、輻射加熱では、輻射加熱源から離れた位置にある粉体Ｐｗまでは加熱しにくいので、熱風発生器２６から粉体Ｐｗ同士の隙間に熱風を送ることにより、粉体Ｐｗを均一に加熱可能である。

上述したように、本実施例では、３次元積層装置で造形物Ｓｆを造形する際、粉体Ｐｗを敷設する前に、粉体Ｐｗの温度制御を行うようにしている。この制御について、図１、図７及び図８と共に、図９を参照して説明を行う。

（ステップＳ１１）
実施例１のステップＳ１と同様に、粉体Ｐｗに対する加熱計画を作成する。但し、本実施例において、予熱運転は、敷設前の粉体Ｐｗに対するものであり、パウダーポッド２５又はスキージング装置１２内の粉体Ｐｗの温度を予熱温度にすれば良いので、予熱運転パラメータについては、粉体Ｐｗの特性（材質、大きさなど）に基づいて、パウダーポッド２５のヒータ出力や熱風発生器２６の熱風温度や流速などを設定すれば良い。造形運転を実施するための造形運転パラメータについては、実施例１のステップＳ１で説明した通りである。また、同じ造形物Ｓｆを同じ３次元積層装置で量産する場合には、このステップＳ１１は省略可能である。

なお、予熱運転の前に、赤外線カメラ２１を用いて、ベースプレート１４の温度を測定しておき、この測定温度が融点未満であれば、この温度を予熱温度としても良い。

（ステップＳ１２）
予熱運転パラメータに基づいて、予熱加熱手段であるパウダーポッド２５のヒータ又は熱風発生器２６を用いて、予熱運転を実施する。具体的には、図７の場合は、パウダーポッド２５のヒータによる加熱により、パウダーポッド２５及び内部の粉体Ｐｗの温度を予熱温度に加熱する。また、図８の場合は、パウダーポッド１１からスキージング装置１２に粉体Ｐｗを供給し、熱風発生器２６を用いて、スキージング装置１２内の粉体Ｐｗに熱風を吹き付けて、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱する。このような予熱運転を行うことにより、敷設する粉体Ｐｗの温度のばらつきを減少させ、全体を均一の予熱温度に制御することができる。

また、予熱運転の際には、パウダーポッド２５又はスキージング装置１２に振動装置（図示省略）を設け、これを用いて、パウダーポッド２５又はスキージング装置１２内の粉体Ｐｗに振動を与えて、敷設前に、粉体Ｐｗ同士が焼結又は溶融しないようにしている。

（ステップＳ１３）
図７の場合は、パウダーポッド２５からスキージング装置１２に予熱温度に加熱した粉体Ｐｗを供給し、スキージング装置１２により、ベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの上に、予熱温度に加熱した粉体Ｐｗを敷設して、厚さＤで平坦にスキージングする。また、図８の場合は、スキージング装置１２により、ベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの上に、予熱温度に加熱した粉体Ｐｗを敷設して、厚さＤで平坦にスキージングする。

（ステップＳ１４）
実施例１のステップＳ４と同様に、造形運転パラメータに基づいて、造形加熱手段でもあるレーザ１５及び走査光学系１６を用いて、造形運転を実施する。本実施例では、粉体Ｐｗの敷設前に予熱運転を行って、粉体Ｐｗの融点未満の予熱温度まで加熱しているので、造形運転では、レーザ光を高出力する必要は無く、造形運転において、入熱過剰となる危険性を低減することができる。

（ステップＳ１５）
焼結又は溶融した粉体Ｐｗが固化して、造形物Ｓｆを構成する造形層が造形された後、積層が終了であれば、手順を終了する。積層が終了でなければ、造形した造形層の温度が粉体Ｐｗの融点未満になるまで冷却した後、ベースプレート１４を厚さＤだけ下降して、ステップＳ１１へ戻る。そして、積層が終了するまで、上述したステップＳ１１～Ｓ１４を繰り返すことにより、最終的に、所望の３次元形状の造形物Ｓｆが造形されることになる。

以上説明したように、本実施例においても、造形運転の前に、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱する予熱運転を行うので、粉体Ｐｗの温度を高精度に制御して、所望の充填率、微細構造となる熱履歴を実現することができる。その結果、造形物Ｓｆの微細構造の制御が容易になり、強度等の部品品質が向上する。また、造形運転時における焼結又は溶融ムラも解消し、寸法精度が向上する。

［実施例３］
本実施例は、図１に示した３次元積層装置を用いた粉体温度制御方法であり、その制御方法に、実施例１とは相違がある。従って、ここでは、３次元積層装置の図示及び説明は省略し、本実施例の粉体温度制御方法について、図１に示した３次元積層装置と共に、図１０～図１３を参照して説明を行う。

（ステップＳ２１）
パウダーポッド１１からスキージング装置１２に新たな粉体Ｐｗを供給し、スキージング装置１２により、ベースプレート１４又は下層側となる造形物Ｓｆ及び粉体Ｐｗの上に、新たな粉体Ｐｗを敷設して、厚さＤで平坦にスキージングする。なお、この際、スキージング装置１２は、粉体Ｐｗのスキージングを行わなくても良く、粉体Ｐｗを敷設するだけでも良い。

（ステップＳ２２）
赤外線カメラ２１を用いて、敷設した粉体Ｐｗの場所毎の温度を計測する。例えば、ここでは、造形タンク１３内に敷設した粉体Ｐｗの全域に渡って、赤外線カメラ２１で撮影が行われ、撮影された画像が制御装置３０に入力され、解析されて、場所毎の温度が計測されている。なお、赤外線カメラ２１に代えて、例えば、赤外線放射温度計を用いる場合には、造形タンク１３内に敷設した粉体Ｐｗの全域に渡って、赤外線放射温度計による温度計測が場所毎に行われることになる。

一方で、赤外線カメラ２１は用いずに、シミュレーションなどにより、敷設した粉体Ｐｗの場所毎の温度を予測しても良い。同じ造形物Ｓｆを同じ３次元積層装置で量産する場合には、一度、敷設した粉体Ｐｗの場所毎の温度を測定又は予測しておけば、以降は、同様の温度傾向となるので、温度測定やシミュレーションなどは毎回行わなくても良い。つまり、同じ造形物Ｓｆを同じ３次元積層装置で量産する場合には、このステップＳ２２は省略可能である。

（ステップＳ２３）
実施例１のステップＳ１と同様に、粉体Ｐｗに対する加熱計画を作成する。但し、本実施例においては、予熱運転前に、敷設した粉体Ｐｗの場所毎の温度が計測又は予測されており、予熱運転パラメータにおいては、粉体Ｐｗの場所毎の温度に応じて、予熱温度に加熱するレーザ出力やレーザ走査速度などを設定する。

このとき、敷設した粉体Ｐｗ全体を均一の予熱温度に制御する場合だけではなく、敷設した粉体Ｐｗを場所毎に異なる予熱温度に制御する場合があっても良い。例えば、場所毎に異なる微細構造とするため、敷設した粉体Ｐｗを場所毎に異なる予熱温度に制御する場合がある。その場合には、造形物形状データ、微細構造制御データなどに基づいて、敷設した粉体Ｐｗの場所によって、異なる予熱温度に加熱するように、レーザ出力やレーザ走査速度などを設定する。造形運転を実施するための造形運転パラメータについては、実施例１のステップＳ１で説明した通りである。また、同じ造形物Ｓｆを同じ３次元積層装置で量産する場合には、このステップＳ２３も省略可能である。

このように、本実施例の加熱計画では、実施例１とは異なり、積層過程や造形物Ｓｆの部位に応じて、造形運転前の粉体Ｐｗの温度や投入エネルギー密度を変化させるようにしており、これにより、造形物Ｓｆの部品仕様に従うように、部位毎に異なる造形品質を得ることが可能である。

（ステップＳ２４）
予熱運転パラメータに基づいて、予熱加熱手段及であるレーザ１５及び走査光学系１６を用いて、予熱運転を実施する。具体的には、走査光学系１６を介して、レーザ１５からのレーザ光を上方から粉体Ｐｗに照射し、敷設した粉体Ｐｗに場所に応じた入熱量を与えて、粉体Ｐｗを場所に応じた予熱温度に加熱する。

例えば、図１１（ａ）に示すように、敷設した粉体Ｐｗの下層側となる造形物Ｓｆの直近造形層Ｌｐにおいて、場所毎に温度がばらついており、その影響を受けて、敷設した粉体Ｐｗの温度も場所毎に温度がばらついている場合がある。この場合には、粉体Ｐｗの場所毎の測定温度などに基づいて設定された予熱運転パラメータを用いて、予熱運転を行うことにより、測定温度の低いところほど、入熱量を多くすることができる。このような予熱運転を行うと、図１１（ｂ）に示すように、敷設した粉体Ｐｗの温度のばらつきを減少させて、敷設した粉体Ｐｗ全体を均一の予熱温度に制御することができる。なお、図１１（ａ）、（ｂ）においても、温度が高いほどグレーの濃度を濃くし、温度が低いほどグレーの濃度を薄くして示している。

また、例えば、図１２に示すように、場所毎に異なる微細構造α、γを形成したい場合がある。この場合には、微細構造制御データなどに基づいて設定された予熱運転パラメータを用いて、予熱運転を行うことにより、敷設した粉体Ｐｗを場所毎に異なる予熱温度に制御することができる。例えば、造形物Ｓｆを造形する際、それを支えるサポートが必要になる場合があるが、このサポートに強度は不要であるので、このサポートを造形する場所の予熱温度を低くして、強度の低い微細構造を造形運転で形成するようにすれば良い。なお、図１２においても、温度が高いほどグレーの濃度を濃くし、温度が低いほどグレーの濃度を薄くして示している。

また、例えば、敷設した粉体Ｐｗにおいて、造形物Ｓｆを構成する造形層となる断面形状領域Ａとそれ以外の領域とで、異なる予熱温度に制御するようにしても良い。これを後述する図１３を参照して説明する。敷設した粉体Ｐｗにおいて、断面形状領域である領域Ａ２とそれ以外の領域Ａ１及びＡ３がある場合、造形物形状データなどに基づいて設定された予熱運転パラメータを用いて、予熱運転を行うことにより、敷設した粉体Ｐｗを領域Ａ１、Ａ２及びＡ３の領域毎に異なる予熱温度に制御することができる。

このように、本実施例の予熱運転においては、必ずしも、粉体Ｐｗ全体を均一に加熱する必要はなく、敷設した粉体Ｐｗ全体に対して、その一部となる断面形状領域Ａだけ加熱したり、更には、この断面形状領域Ａの一部だけ加熱したりしても良い。

なお、予熱運転の際には、赤外線カメラ２１を用いて、加熱場所の粉体Ｐｗの温度を計測し、計測した温度をフィードバックして、加熱場所の粉体Ｐｗを予熱温度に加熱するようにしても良い。また、予熱運転の際には、振動装置２２を用いて、造形タンク１３内の粉体Ｐｗに振動を与えても良く、これにより、造形運転前に、粉体Ｐｗ同士が焼結又は溶融しないようにしている。そして、予熱運転終了後には、スキージング装置１２によりスキージングを行って、粉体Ｐｗを厚さＤで平坦にする。

（ステップＳ２５）
実施例１のステップＳ４と同様に、造形運転パラメータに基づいて、造形加熱手段でもあるレーザ１５及び走査光学系１６を用いて、造形運転を実施する。本実施例でも、粉体Ｐｗの敷設前に予熱運転を行って、加熱場所の粉体Ｐｗを予熱温度まで加熱しているので、造形運転では、レーザ光を高出力する必要は無く、造形運転において、入熱過剰となる危険性を低減することができる。

なお、造形運転の際にも、赤外線カメラ２１を用いて、加熱場所の粉体Ｐｗの温度を計測し、計測した温度をフィードバックして、加熱場所の粉体Ｐｗを造形温度に加熱するようにしても良い。

（ステップＳ２５）
焼結又は溶融した粉体Ｐｗが固化して、造形物Ｓｆを構成する造形層が造形された後、積層が終了であれば、手順を終了する。積層が終了でなければ、造形した造形層の温度が粉体Ｐｗの融点未満になるまで冷却した後、ベースプレート１４を厚さＤだけ下降して、ステップＳ２１へ戻る。そして、積層が終了するまで、上述したステップＳ２１～Ｓ２５を繰り返すことにより、最終的に、所望の３次元形状の造形物Ｓｆが造形されることになる。

以上説明したように、本実施例でも、造形運転の前に、粉体Ｐｗを予熱温度に加熱する予熱運転を行うので、粉体Ｐｗの温度を高精度に制御して、所望の充填率、微細構造となる熱履歴を実現することができる。その結果、造形物Ｓｆの微細構造の制御が容易になり、強度等の部品品質が向上する。また、造形運転時における焼結又は溶融ムラも解消し、寸法精度が向上する。また、粉体Ｐｗの場所によって、粉体Ｐｗの予熱温度を変えることにより、場所毎に異なる熱履歴を実現して、異なる充填率、微細構造となる部品品質を制御することができ、より高機能な部品を提供することができる。

なお、ここでは、本実施例の粉体温度制御方法として、図１に示した３次元積層装置を用いた例を説明したが、予熱加熱手段及び造形加熱手段としては、レーザ１５及び走査光学系１６に代えて、電子ビーム源及び走査コイルやイメージ炉２３を用いても良い。また、予熱加熱手段としては、スキージング装置１２のスキージングブレードに設けた赤外線ヒータ２４や図１３に示すスキージング装置２７を用いても良い。

このスキージング装置２７には、粉体Ｐｗを加熱するヒータを内部に設けている。図１３に示すように、敷設する粉体Ｐｗに、断面形状領域である領域Ａ２とそれ以外の領域Ａ１及びＡ３がある場合には、造形物形状データなどに基づいて設定された予熱運転パラメータを用いて、敷設する粉体Ｐｗの場所に応じて、スキージング装置２７の内部の温度（予熱温度）を変えながら、粉体Ｐｗを敷設すれば良い。これにより、本実施例の予熱運転を行うことになり、敷設した粉体Ｐｗを場所毎に異なる予熱温度に制御することができる。

本発明は、３次元積層装置で作製される全ての部品に適用可能である。例えば、ガスタービン、ターボ、コンプレッサ、航空・宇宙部品などにも適用可能であり、特に、強度など材料の微細構造の制御結果が品質を左右する部品に好適である。

１１、２５ パウダーポッド
１２、２７ スキージング装置
１３ 造形タンク
１４ ベースプレート
１５ レーザ
１６ 走査光学系
２１ 赤外線カメラ
２２ 振動装置
２３ イメージ炉
２４ 赤外線ヒータ
２６ 熱風発生器
３０ 制御装置

Claims (14)

1. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、
   前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱手段と、
   前記造形加熱手段による加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上方から加熱する予熱加熱手段と
   を有し、
   前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
   前記造形加熱手段は、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
   前記予熱加熱手段による加熱の後であって、前記造形加熱手段による加熱の前に、前記粉体をスキージングするスキージング装置を有することを特徴とする３次元積層装置。
2. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、
   前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱手段と、
   前記造形加熱手段による加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上方から加熱する予熱加熱手段と
   を有し、
   前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
   前記造形加熱手段は、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
   前記予熱加熱手段は、敷設された前記粉体を場所毎に異なる温度に加熱することを特徴とする３次元積層装置。
3. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、
   前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱手段と、
   前記造形加熱手段による加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上方から加熱する予熱加熱手段と
   を有し、
   前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
   前記造形加熱手段は、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
   前記予熱温度は、前記粉体が金属材料である場合、４００℃から前記粉体の融点より４００℃低い温度までの温度であることを特徴とする３次元積層装置。
4. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、
   前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱手段と、
   前記造形加熱手段による加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上方から加熱する予熱加熱手段と
   を有し、
   前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
   前記造形加熱手段は、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
   前記予熱加熱手段による加熱中に、前記粉体に振動を与える振動装置を有することを特徴とする３次元積層装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の３次元積層装置において、
   前記造形加熱手段は、レーザ又はイメージ炉のいずれか一方であることを特徴とする３次元積層装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の３次元積層装置において、
   前記予熱加熱手段は、敷設された前記粉体を加熱するものであって、レーザ、イメージ炉又は前記粉体をスキージングするスキージング装置のスキージングブレードを加熱する加熱手段のいずれか１つであることを特徴とする３次元積層装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の３次元積層装置において、
   前記造形温度は、前記粉体の沸点未満の温度であることを特徴とする３次元積層装置。
8. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、前記粉体の温度を制御する粉体温度制御方法であって、
   前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱ステップと、
   前記造形加熱ステップでの加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上部から加熱する予熱加熱ステップと
   を有し、
   前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
   前記造形加熱ステップは、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
   前記予熱加熱ステップでの加熱の後であって、前記造形加熱ステップでの加熱の前に、前記粉体をスキージングすることを特徴とする３次元積層装置の粉体温度制御方法。
9. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、前記粉体の温度を制御する粉体温度制御方法であって、
   前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱ステップと、
   前記造形加熱ステップでの加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上部から加熱する予熱加熱ステップと
   を有し、
   前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
   前記造形加熱ステップは、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
   前記予熱加熱ステップでは、敷設された前記粉体を場所毎に異なる温度に加熱することを特徴とする３次元積層装置の粉体温度制御方法。
10. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、前記粉体の温度を制御する粉体温度制御方法であって、
    前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱ステップと、
    前記造形加熱ステップでの加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上部から加熱する予熱加熱ステップと
    を有し、
    前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
    前記造形加熱ステップは、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
    前記予熱温度は、前記粉体が金属材料である場合、４００℃から前記粉体の融点より４００℃低い温度までの温度であることを特徴とする３次元積層装置の粉体温度制御方法。
11. 敷設された粉体を焼結又は溶融固化させて積層して造形物を造形する３次元積層装置において、前記粉体の温度を制御する粉体温度制御方法であって、
    前記粉体を焼結又は溶融する造形温度で加熱する造形加熱ステップと、
    前記造形加熱ステップでの加熱の前に、前記粉体の融点未満の予熱温度で前記粉体の特性に基づいて、敷設された前記粉体全体を上部から加熱する予熱加熱ステップと
    を有し、
    前記予熱温度は、前記粉体同士が結合しない温度であり、
    前記造形加熱ステップは、前記粉体を前記予熱温度から前記造形温度に加熱し、
    前記予熱加熱ステップでの加熱中に、前記粉体に振動を与えることを特徴とする３次元積層装置の粉体温度制御方法。
12. 請求項８から請求項１１のいずれか１つに記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
    前記造形加熱ステップでは、レーザ又はイメージ炉のいずれか一方を用いて加熱することを特徴とする３次元積層装置の粉体温度制御方法。
13. 請求項８から請求項１２のいずれか１つに記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
    前記予熱加熱ステップでは、レーザ、イメージ炉又は前記粉体をスキージングするスキージング装置のスキージングブレードを加熱する加熱手段のいずれか１つを用いて、敷設された前記粉体を加熱することを特徴とする３次元積層装置の粉体温度制御方法。
14. 請求項８から請求項１３のいずれか１つに記載の３次元積層装置の粉体温度制御方法において、
    前記造形温度は、前記粉体の沸点未満の温度であることを特徴とする３次元積層装置の粉体温度制御方法。
    

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