JP7277103B2 - セラミックス造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス造形物の製造方法、特に、レーザー光を用いる直接造形方式での製造方法に関する。

近年、短時間で試作品を作製したり、少数部品を製造したりする用途において、材料粉末をエネルギービームで結合させて所望の造形物、特に三次元造形物を得る直接造形方式の三次元造形物の製造方法が普及している。特に金属分野では、粉末床熔融結合法(powder bed fusion)において緻密で多様性のある造形物が得られている。金属造形物の高い緻密性は、金属粉末を効果的に熔融、凝固させることによって実現される。金属分野での成功を礎にして、セラミックス材料への展開も議論され、多くの取り組みが報告されている。酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムなどの一般的なセラミックス材料は粉末床熔融結合法によく使用されるエネルギービームであるＮｄ：ＹＡＧレーザー、ないしＹｂファイバーレーザーの光を殆ど吸収しない。このため、金属同様に熔融させるためには、より多くのエネルギーを投入する必要があるが、レーザー光が拡散して熔融が不均一となるため、必要な造形精度を得ることが難しい状況にあった。また、セラミックス材料は融点が高いため、レーザー光によって熔融した後、凝固する際に、雰囲気や隣接する周辺部によって急冷される。非特許文献１には、得られる造形物は非晶質化することが開示されている。

一方で、非特許文献２には、Ａｌ_２Ｏ_３―ＺｒＯ_２共晶系組成のセラミックスを用いて融点を下げることにより、熔融に必要なエネルギーを低下させる技術が開示されている。加えて、非特許文献２には、造形領域を補助レーザー光で、１６００℃以上かつ融点を超えない温度に温めながら（予備加熱）、造形用のレーザー光を照射することで、熱応力の緩和や急冷を回避し、クラック発生を抑制しつつ結晶質の造形物を得る技術が開示されている。しかしながら、補助レーザー光による予備加熱領域のセラミックス材料粉末が焼結してしまうため、構造体の表面境界部の形状精度を得ることが困難であった。

機能材料 ３４巻 ９月号（２０１４） １２－１７ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｄｉａ ５ （２０１０） ５８７－５９４

本発明は、予備加熱なしに形状精度の良い、結晶質のセラミックス造形物を得る製造方法を提供するものである。特に、粉末床熔融結合法において、レーザー光でセラミック粉末を熔融させた後、凝固するときに非晶質となる状況を回避し、結晶質比率の高い造形物を得る製造方法を提供するものである。

本発明の一態様は、セラミックス造形物の製造方法であって、
（ｉ）セラミックス粉末を均し、粉末層を形成する工程と、
（ｉｉ）前記粉末層に対し三次元データに基づいて集光光学系を介してレーザービームを照射し、照射部位を結晶化させる工程と、
を繰り返し行い、セラミックス造形物を製造する方法であって、
前記（ｉｉ）の工程において、前記レーザービームを前記粉末層の表面に対し非合焦な状態で照射することを特徴とする。

本発明によれば、粉末床熔融結合法において、粉末層の表面に対してレーザービームを非合焦な状態で照射することにより、粉末層に対して高温の予備加熱を行うことなく、熔融状態からの凝固速度を、結晶質が多く含まれる状態に制御することが可能となる。これにより、非晶質が多く含まれる造形物に比べて、機械強度の高い造形物を得ることが可能となる。さらに、造形後の熱処理において、非晶質から結晶質への収縮変形を抑制することが可能となる。

本発明の造形物の製造方法の一実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明の造形物の製造方法の非合焦状態の概念を示す断面図である。 本発明のレーザービームの断面形状を説明する概念図である。 本発明の造形物の製造方法におけるレーザービームの照射方法の一実施形態を示す概略図である。 合焦、非合焦の各状態でレーザービームを照射して得られた造形物のＥＢＳＤ法におけるＩＱマップ像である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の具体例になんら限定されるのもではない。

本発明は、直接造形方式、いわゆる粉末床熔融結合法において効果を発揮するものであり、基本的な造形の流れについて図１を用いて説明する。

先ず、基台１３０上に粉末１０１を載置し、ローラー１５２を用いて粉末１０１を均して、粉末層１０２を形成する（図１（ａ）、（ｂ））。次に、粉末層１０２の表面に、集光光学系を含むレーザービーム源１８０から射出したレーザービームを、造形対象である三次元モデルの３Ｄデータに基づいてスキャナ部１８１で走査しながら照射する。レーザービームが照射されている間に粉末が熔融し、レーザービームが通過した後に熔融部が凝固して、造形物１００が形成される（図１（ｃ））。次に、ステージ１５１を降下させ、前記造形物１００上に新たな粉末層１０２を形成し、３Ｄデータに基づいてレーザービームを走査しながら照射する(図１（ｄ）、（ｅ）)。これら一連の工程を繰り返して行い、所望形状の造形物１００を形成する(図１（ｆ）)。最後に、未凝固の粉末１０３を除去し（図１（ｇ））、必要に応じて造形物１００の不要部分の除去や、造形物１００と基台１３０との分離を行う（図１（ｈ））。

本発明の第一の態様は、（ｉ）セラミックス粉末を均し、粉末層を形成する工程と、（ｉｉ）前記粉末層に対し三次元データに基づいてレーザービームを照射し、照射部位を結晶化させる工程と、を繰り返し行ってセラミックス造形物を製造する方法であって、前記（ｉｉ）の工程において、前記レーザービームを前記粉末層の表面に対し非合焦な状態で照射することを特徴とするセラミックス造形物の製造方法である。

以下、本発明の製造方法の各工程について説明する。
＜工程（ｉ）＞
本発明に係る造形物の製造方法は、セラミックス粉末を均し、粉末層を形成する工程（ｉ）を有する。
セラミックス粉末は、金属酸化物を主成分とすることが好ましい。造形物の原料の主成分として金属酸化物を用いることで、レーザービームの照射により分解、ガス化して造形不良を起こすようなことがなく、精度の良い造形物を得ることができる。
前記金属酸化物を構成する金属の主成分はアルミニウムであることが好ましい。すなわち、酸化アルミニウムを主成分とする金属酸化物等を用いることができる。酸化アルミニウムは汎用的な構造用セラミックスであり、適切に熔融、凝固させることによって、高い機械的強度を有する造形物を得ることができる。

本発明における粉末は、副成分として、酸化ガドリニウム、酸化テルビウムおよび酸化プラセオジムから選択される少なくとも一種を含んでいることがより好ましい。前記粉末は、酸化ガドリニウムを含むことで、Ａｌ_２Ｏ_３－Ｇｄ_２Ｏ_３共晶系組成近傍では、酸化アルミニウム単体よりも低融点となる。これによって少ない熱量で粉末の熔融が可能となり、粉末内でのレーザー光の拡散が抑制されるため、造形精度が向上する。また、酸化ガドリニウムを含むことで、造形物は２相以上からなる相分離構造となる。これにより、クラックの伸展が抑えられ、造形物の機械的強度が向上する。酸化ガドリニウムの代わりに、他の希土類元素（テルビウムやプラセオジムを除く）の酸化物を使用した場合も、酸化ガドリニウムと同じような効果が得られる。また、粉末がレーザー光に対して十分な吸収能を有していれば、粉末内における熱の広がりが抑制されて局所的に熔融、凝固し、非造形部への熱の影響が低減するため、造形精度が向上する。たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを使用する場合は、酸化テルビウム（Ｔｂ_４Ｏ_７）や酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）などが良好なレーザー光の吸収を示すため、これらを副成分として粉末に含有していることがより好ましい。炭酸ガスレーザーのようにメンテナンスが必要なものではなく、本発明のレーザービームとして、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーを使用するとメンテナンス不要で出力安定性もあり、好ましい。また、波長が１μｍ近傍のレーザーであることが好ましい。

以上の観点から、より好適な粉末としては、Ａｌ_２Ｏ_３－Ｇｄ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３－Ｔｂ_４Ｏ_７、Ａｌ_２Ｏ_３－Ｇｄ_２Ｏ_３－Ｔｂ_４Ｏ_７、Ａｌ_２Ｏ_３－Ｐｒ_６Ｏ_１１、Ａｌ_２Ｏ_３－Ｇｄ_２Ｏ_３－Ｐｒ_６Ｏ_１１等が挙げられる。

本発明で用いられる基台１３０の材料としては、三次元造形物の製造において通常用いられるセラミックス、金属、ガラス等の材料から造形物の用途や製造条件等を考慮して適宜選択し、使用することができる。

本発明において用いる粉末は、樹脂バインダー等の炭素を含有する素材が添加されていないことが好ましい。また、水分を除き、粉末を４００℃まで加熱したときの重量損失が２％以下であることが好ましい。より好ましくは、８００℃まで加熱したときの重量損失が２％以下であることが好ましい。

粉末１０１を基台１３０に配置する方法は特に限定されない。粉末床熔融結合法の場合は、図１に示すように、ローラー１５２やブレード等で基台１３０の上に層状に粉末１０１を配置する。粉末層１０２をより平滑に均すためには、流動性のよい粉末を用いることが好ましく、球形で５μｍ以上の粉末を多く含むことが好ましい。また、レーザービームで効果的に造形物を得るには、粉末層１０２の層厚は５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。

＜工程（ｉｉ）＞
本発明に係る造形物の製造方法は、上記工程（ｉ）で形成した粉末層１０２に対し、造形対象物である三次元モデルの三次元データに基づいて、集光されたレーザービームを照射し、照射部位を結晶化させる工程を有する。以下、好適な実施形態に基づいて本工程を説明する。

粉末床熔融結合法の場合は、図１に示すように、工程（ｉ）で基台１３０上に配置した粉末層１０２の表面の所定の領域にレーザービームを照射して粉末を熔融し、次いで凝固させる。粉末にレーザービームを照射すると、粉末がレーザー光を吸収し、さらに熱に変換されて粉末が熔融する。レーザービームの照射が終了すると、熔融した粉末は、雰囲気および隣接するその周辺部からの放熱により冷却されて凝固し、造形物の一断面が形成される。非特許文献１と２からの帰結として、予備加熱がない場合には熔融および凝固の過程における急冷によって、造形物は非晶質から構成されてしまうという課題がある。

しかしながら、本工程では、高温の予備加熱なしに結晶化させることができる。特に、レーザービームを、粉末層１０２の表面に対して、非合焦の状態で照射することにより、熔融箇所の結晶化を実現することができる。合焦、非合焦の各状態を図３の概念図を用いて説明する。レーザービームはレーザービーム源１８０に含まれる光学系（ファイバーや集光レンズ等を含む）により、ビームの中央部のエネルギー密度が高い状態で粉末層に達するようになっている。合焦とは粉末層の表面にレーザービームの焦点が合っている状態を指し、非合焦とは焦点が合っていない状態を指す。但し、焦点が合っていない状態とは、粉末層の表面がレーザービームの焦点深度外に位置している状態と言い換えることもできるが、この意味に限定されるものではない。詳しくは後述するが、本発明の本質は、粉末層上で所望のレーザービームの強度プロファイルを得るために粉末層に対し焦点位置をずらしていることである。このため、本発明における非合焦とは、その目的を達成する上においては、使用している装置の集光光学系の焦点距離から特定される焦点位置から単にずれている状態を意味しているとも言える。

なお、レーザービーム１８２の合焦位置（図３（ａ）のＡＡ‘断面近傍）における強度分布は、図３（ｂ）の上図に示される通りに急峻なガウシアン分布となっている。一方、レーザービーム１８２の非合焦位置（図３（ａ）のＢＢ’断面近傍）における強度分布は、図３（ｂ）の下図に示される通りに合焦位置に比べ相対的に緩やかな強度分布となっている。

非合焦状態で粉末層にレーザービームを照射すると、合焦の場合と異なり、加熱部の温度勾配が緩和されるため、レーザー照射後の急冷を回避することができる。このため、急冷に起因する非晶質の形成を抑制することができ、その結果として結晶質の割合の高いセラミックス造形物を得ることができる。

次に、非合焦状態でレーザービーム照射を行う方法について説明する。例えば集光光学系の合焦状態を、図１（ｂ）の粉末層１０２の表面に設定している装置の場合、非合焦状態にするためには工程（ｉ）で粉末層１０２を形成した後、ステージ１５１の高さを上方向または下方向に所望量変化させることで実現可能である（例えば図２（ａ））。また、ステージ１５１の高さではなく、レーザービーム源１８０に含まれる集光光学系のレンズの移動、または光路中へのレンズの挿脱により非合焦状態を実現することもできる。また、レーザービームの断面形状の整形により所望の強度分布とすることも可能である（図２（ｂ））。

本発明における非合焦状態をより詳しく定義するために、レーザービームを粉末層に１ラインスキャン照射した場合に生じる熔融、凝固部の熔融の幅（Ｌ）と、熔融の深さ（Ｄ）の比Ｄ／Ｌで定義する。なお、この照射は造形時と同じレーザーパワー、スキャン速度のもとで行われる。

Ｄ／Ｌは、１．０以下であることが好ましく、さらに０．２≦Ｄ／Ｌ≦０．７であることが好ましい。Ｄ／Ｌが１．０以下であることで、凝固時の急冷に起因する非晶質の形成を抑制することができる。

なお、Ｄ／Ｌは、非合焦状態におけるレーザービームのパワー、スキャン速度によって調整できる。

因みに、本発明のレーザービーム照射による造形物の形成においては、レーザービームはラインスキャンであり、隣接する複数本のライン状のスキャンにより面を構成するものである。粉末層の厚みは、５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましいことと、造形精度の要請から、ライン幅を１００μｍ程度として、隣接するライン間の平均距離は２０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、５０μｍ以上２００μｍ以下である。粉末層の厚みとレーザービームを照射するライン間距離の比（ライン間距離／粉末層厚さ）は、４から６程度が好適である。

＜工程（ｉ）、（ｉｉ）の繰り返し＞
本発明に係る造形物の製造方法は、上記工程（ｉ）、（ｉｉ）の工程を繰り返し、造形物を形成する。

工程（ｉｉ）で得られた造形物の上に、工程（ｉ）によって新たに粉末層を配置する。配置された粉末にレーザービームを照射すると、照射部の粉末は熔融、凝固し、先に造形された部分と一体となった新たな造形物が形成される。工程（ｉ）と工程（ｉｉ）を交互に繰り返すことで所望の三次元形状を有する造形物が得られる。

＜評価方法＞
合焦時に非晶質が多く形成され、非合焦時に結晶質が多いことを評価するには、実際の造形物の観察を行うことが好ましい。特に、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction Patterns）法では、ＩＱマップ（Image Quality map）の画像取得を行うことが好ましい。ＩＱマップとは、電子線を照射した領域から得られる菊池パターンの先鋭度を数値化し、２次元画像としたものである。このとき、結晶質の領域からはシグナルが得られるが、非晶質の領域からはシグナルが得られないため、造形物のどこが非晶質で、どこが結晶質かを判別することに利用できる。

また、非晶質は結晶質に比べて、一般的に２割程度低密度であることが多く、造形物を構成する材料の結晶状態の理論密度に対して、造形物が相対的にどの程度であるかで比較することができる。この場合、造形物の空孔率がおおよそ一定の条件であるとして検証することが好ましい。

以下に実施例を挙げて、本発明に係る造形物の製造方法を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例になんら限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例は、レーザービームの焦点が、合焦、非合焦の場合に得られる造形物の評価に関する。

＜本発明の一例であるセラミックス粉末の準備＞
それぞれ粒子が球状のα－Ａｌ_２Ｏ_３粉末（平均粒径２０μｍ）、Ｇｄ_２Ｏ_３粉末（平均粒径２５μｍ）、Ｔｂ₄Ｏ₇粉末（平均粒径３μｍ）を用意し、質量比でＡｌ_２Ｏ_３：Ｇｄ_２Ｏ_３：Ｔｂ_４Ｏ_７＝２．１０：２．００：０．１８となるように各粉末を秤量した。各秤量粉末を乾式ボールミルで３０分間混合して混合粉末（材料粉末）を得た。

この混合粉末に含まれる有機成分の量を調査するために、粉末を４００℃の電気炉で１２時間加熱して、前後の重量変化を計測したところ、重量損失は０．５重量％未満であった。また、８００℃の電気炉で１２時間加熱して、前後の重量変化を計測したところ、重量損失は１．０重量％未満であった。

＜造形工程＞
造形物の形成には、５０Ｗのファイバーレーザー（ビーム径６５μｍ）が搭載されている３Ｄ ＳＹＳＴＥＭＳ社のＰｒｏＸ ＤＭＰ １００（商品名）を用いた。

最初に、ローラーを用いてアルミナ製の基台上に前記材料粉末の３０μｍ厚の一層目の粉末層を形成した（工程（ｉ））。次いで、前記基台上の一部に比較サンプル１を、同一基台上の重ならない位置にサンプル１を配置するレイアウトにおいて造形を行った。比較サンプル１においては、工程（ｉｉ）として、６×６ｍｍの正方形の領域に対して２０Ｗのレーザービームを、合焦位置（本実施例で使用した上記装置においてはステージ高さ－１．５ｍｍ）において１００ｍｍ／ｓの速さで、１００μｍピッチで塗りつぶすように前記粉末層に照射し、熔融、凝固させた。一方、サンプル１では本発明の工程（ｉｉ）として、６×６ｍｍの正方形の領域に対して３０Ｗのレーザービームを非合焦位置（本実施装置においてはステージ高さ－５．０ｍｍ）において１４０ｍｍ／ｓの速さで、１００μｍピッチで塗りつぶすように前記粉末層に照射し、熔融、凝固させた。また、描画ラインは正方形の辺に平行になるようにした。次に、前記熔融・凝固部を覆うように２０μｍ厚の粉末層をローラーで新たに形成した（工程（ｉ））。一層目の描画ラインと直交するように、比較サンプル１とサンプル１の正方形の領域直上にある粉末層に、レーザーを前記条件と同様に照射し、６×６ｍｍの領域内の粉末を熔融、凝固させた。なお、２層目からは、粉末層の厚さを２０μｍで一定とした。

このような工程（ｉ）と（ｉｉ）の繰り返しにより、底面６ｍｍ×６ｍｍで高さ６ｍｍの２つの造形物を作製した。描画手順としては、図４に示すように描画し、ｎ層からｎ＋１層、ｎ＋２層、ｎ＋３層と、各層の間で、方向を９０°回転させながら造形物が所望の厚みになるまで繰り返した。図４において、鎖線で囲まれた上記正方形の領域内で、実線は実際にレーザーを照射しながら走査するラインであり、破線はレーザーを照射せずに走査するラインを示している。

＜評価＞
作製した比較サンプル１とサンプル１の造形物は、基台のアルミナから切り離し、基台との接続部を下面としたとき、側面に平行な鉛直面で切断、研磨を行い、観察用試料とした。観察は、ＥＢＳＤによって行い、ＩＱマップの画像取得を行った。ＩＱマップとは、電子線を照射した領域から得られる菊池パターンの先鋭度を数値化し、２次元画像としたものである。このとき、結晶質の領域からはシグナルが得られるが、領域からはシグナルが得られないため、造形物のどこが非晶質で、どこが結晶質であるかを判別することに利用することができる。

比較サンプル１の断面において、レーザービームの中央部が通過していた領域を含む範囲のＩＱマップが図５（ａ）である。また、サンプル１の断面において、レーザービーム中央部が通過していた領域を含む範囲のＩＱマップが図５（ｂ）である。

ＩＱマップ図５（ａ）では、レーザービームの中央部に該当する箇所が黒くなっており、非晶質から構成されることが判った。一方で、図５（ｂ）では、レーザービームの中央部に該当する箇所が明るくなっており、結晶質から構成されることが判った。また、本実施例で用いた粉末構成から、結晶質部分は共晶組織が形成されているため、模様があるように見えるが、結晶質と判断して問題はない。

以上から、レーザービームを合焦位置で粉末層の表面に照射した場合の比較サンプル１は、非晶質領域が結晶質領域より相対的に多く含まれていた。また、レーザービームを非合焦位置で粉末層の表面に照射した場合のサンプル１は、結晶質領域が非晶質領域より相対的に多く含まれて構成されていることが明らかとなった。その結果、結晶質の造形物を得るためには、レーザービームを非合焦位置で照射することが有効であることが確認された。

（実施例２）
本実施例は、合焦、非合焦の各状態で造形条件を変化させた場合に関する。
実施例１の造形工程にならい、比較サンプル１、サンプル１の他に、表１に示す造形物を作製した。合焦、非合焦に対応させて粉末層が十分熔融するようにレーザーパワーを２０Ｗから３０Ｗ、４０Ｗと順に変化させ、スキャンピッチが１００μｍの一定値で造形できるよう、スキャン速度範囲を調整したのが表１に示す各条件値である。

実施例１から追加した合焦状態（本実施例ではステージ高さ－１．５ｍｍ）で造形したサンプルを比較サンプル２～５とし、さらに非合焦状態（本実施例では、ステージ高さ－５．０ｍｍと－７．０ｍｍ）で造形したサンプルをサンプル２～９とした。さらに、本実施例の造形物の理論密度は完全な結晶質の場合５．７２ｇ／ｃｍ^３であり、６×６×６ｍｍに造形した各サンプルの６面を研磨し、その重量と体積から各サンプルの密度を算出して、さらに上記理論密度で割ることで、相対密度（１００×サンプルの密度／理論密度）とした。

比較サンプル１から５の順に、レーザーのスキャン速度を段階的に低下させ、より多い熱量を与えて造形物の結晶化を試みた。しかし、総じて８５％程度の相対密度で、値は横ばいであった。また、比較サンプル５では、熱量が多くて造形物の形が維持できず、相対密度を算出することができなかった。非晶質は結晶質よりも２割程度低密度であるため、非晶質の割合が多く、総じて８５％程度の相対密度に留まった。

次に、サンプル１から４の順に、レーザーのスキャン速度を段階的に低下させ、より多い熱量を与えて造形物のさらなる結晶化を試みた。サンプル１は結晶質から構成されていることが実施例１より判っているが、さらにサンプル２から４の順に相対密度の向上が見られ、結晶質の存在割合がより高まったことが判る。さらに、ステージ高さを－７．０ｍｍとしたサンプル５～９においては、同様にレーザースキャン速度を低下させると、相対密度が向上し、結晶質（相対密度９０％以上）の割合が高まることが判った。

以上から、合焦状態では、熱量をより多く与えても結晶化に向かうことがなく、非合焦状態では、結晶化に向かう傾向が得られ、結晶質化を促進させるためには非合焦状態での造形が必要であることが確認された。

（実施例３）
本実施例は、合焦、非合焦各状態のレーザービームによる熔融部（凝固部とも言い換えることができる）の形状との相関に関する。なお、ここでいうレーザービームよる熔融部の形状とは、レーザービームの照射により粉末層が熔融・凝固した部分の断面形状を指す。

実施例１と同様の粉末を用いて、１回の照射により発生した合焦時・非合焦時のレーザービームよる熔融部（凝固部）の形状を計測した。具体的には、粉末層にレーザーを走査しながら１ライン分照射し、粉末が熔融・凝固することにより形成された凝固部を、レーザーの走査方向に対して垂直な面で切断し、その形状を観察した。造形は最初の１層（粉末層の厚み３０μｍ）のみとし、基台のアルミナ板に食い込む形で凝固した部分の幅Ｌと深さＤの比でレーザービームによる熔融部の形状（Ｄ／Ｌ）を数値化した。

パラメータは、ステージ高さを０．０から－７．０ｍｍ、レーザーパワーを２０から４０Ｗまで変化させた。スキャン速度はすべて１００ｍｍ／ｓである。その結果を、表２に示す。

この結果から熔融・凝固したときの熔融部（凝固部）の断面が最も鋭い形状（最大Ｄ／Ｌ値）を有するのが、ステージ高さ、－１．５ｍｍの時であり、この位置が合焦位置であると考える。実施例１、２で示された比較サンプル１～５は、Ｄ／Ｌが１．２９という値を実現するレーザービームによって照射された造形物、ないし近傍条件での造形物ということができる。したがって、Ｄ／Ｌ値が１．２９となる照射条件でのレーザービームでは非晶質が多く含まれた造形物となることが判る。また、この断面が鋭い形状を有している場合には、深さ方向に鋭く熔融し、凝固時に熱が下方のみならず前後左右の多方向に散逸することにより、急冷が促進される結果、非晶質化していると推察される。従って、Ｄ／Ｌがこの値近傍以上（１．０以上）でも、同様の状態になっているとものと推察される。従って、Ｄ／Ｌがこの値近傍以上（１．０以上）でも、同様の状態になっていると推察される。

なお、ステージ高さは合焦位置からプラス側（ステージ高さが０．０ｍｍの時）でもマイナス側（ステージ高さが－３．０ｍｍの時）でも、非合焦化によるビームの変化は同等であることも確認できる。そのため、本発明の実施例では、マイナス側についてのみ検討した。

非合焦の－５．０ｍｍのステージ高さの場合には、いずれのレーザーパワーでもＤ／Ｌ値が０．７を下回っており、深さ方向になだらかに熔融しており、急冷の具合が緩和され、結晶化に至っていることが確認できた。ただし、ステージ高さで－６．０ｍｍの２０～２５Ｗ、－７．０ｍｍの２０～３０Ｗの領域では、深さ方向に熔融しておらず、粉末がその場でボール状に凝固ないし熔融しきらず焼結するような状況となった。この場合には、積層時に下層との接合不良となるため好ましくないことが判明した。

以上のことから、結晶質の割合が高い造形物を得るには、本発明の非合焦状態でのレーザー照射は、０．２≦Ｄ／Ｌ≦０．７となる照射条件（レーザーパワー、スキャン速度）に制御されていることが好ましい。

補足として、ステージ高さの値は使用する装置に依存するため、本実施例の値は検討に用いた装置固有のものである。重要なことは、粉末層に対し焦点位置を相対的にずらすことにより、粉末層に照射されるレーザービームの強度分布を調整し、所望のＤ／Ｌ値となる状況を作り出すことである。即ち、使用する装置において、粉末層に対し焦点位置をどの程度ずらすかは使用する粉末の種類、使用する装置の仕様で変わってくるものである。

本発明によれば、直接造形方式において、レーザー光で金属酸化物を熔融した後、凝固させるときに非晶質となる状況を回避し、結晶質の存在比率の高い造形物を得ることができ、緻密で、かつ焼成時の収縮の少ない造形物を製造することができる。

１００ 造形物
１０１ 粉末
１０２ 粉末層
１０３ 未凝固の粉末
１３０ 基台
１５１ ステージ
１５２ ローラー
１８０ レーザービーム源
１８１ スキャナ部

Claims (16)

1. （ｉ）セラミックス粉末からなる粉末層を形成する工程と、
   （ｉｉ）三次元データに基づいて前記粉末層にレーザービームを照射し、照射部位を溶融させた後に凝固させる工程と、
   を繰り返し行い、セラミックス造形物を製造する方法であって、
   前記粉末を８００℃まで加熱した際の重量損失が、２％以下であり、
   前記（ｉｉ）の工程において、前記レーザービームは前記粉末層の表面に対し非合焦な状態で照射され、前記凝固によって結晶質の領域が形成されることを特徴とするセラミックス造形物の製造方法。
2. 前記（ｉｉ）の工程において、予備加熱を行わないことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス造形物の製造方法。
3. 前記（ｉｉ）の工程において、前記照射部位の粉末層を熔融させるエネルギーを有するレーザービームを用いることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス造形物の製造方法。
4. 前記粉末が金属酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。
5. 前記金属酸化物を構成する金属の主成分がアルミニウムであることを特徴とする請求項４に記載のセラミックス造形物の製造方法。
6. 前記レーザーが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーであることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。
7. 前記粉末層の層厚が、５μｍ以上１００μｍ以下であり、前記レーザービームは前記三次元データに基づいて走査され、前記走査された前記レーザービームが、前記粉末層の前記表面からずれた焦点位置に集光されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。
8. 前記照射における１回の照射により発生する前記粉末の熔融の幅Ｌと熔融の深さＤの比であるＤ／Ｌが、０．２≦Ｄ／Ｌ≦０．７であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。
9. （ｉ）セラミックス粉末からなる粉末層を形成する工程と、
   （ｉｉ）三次元データに基づいて前記粉末層にレーザービームを照射し、照射部位を溶融させた後に凝固させる工程と
   を繰り返し行い、セラミックス造形物を製造する方法であって、
   前記（ｉｉ）の工程において、前記レーザービームは前記粉末層の表面に対し非合焦な状態で照射され、前記凝固によって結晶質の領域が形成され、
   前記照射における１回の照射により発生する前記粉末の熔融の幅Ｌと熔融の深さＤの比であるＤ／Ｌが、０．２≦Ｄ／Ｌ≦０．７であることを特徴とするセラミックス造形物の製造方法。
10. 前記（ｉｉ）の工程において、予備加熱を行わないことを特徴とする請求項９に記載のセラミックス造形物の製造方法。
11. 前記（ｉｉ）の工程において、前記照射部位の粉末層を熔融させるエネルギーを有するレーザービームを用いることを特徴とする請求項９または１０に記載のセラミックス造形物の製造方法。
12. 前記粉末が金属酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項９～１１のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。
13. 前記金属酸化物を構成する金属の主成分がアルミニウムであることを特徴とする請求項１２に記載のセラミックス造形物の製造方法。
14. 前記粉末を８００℃まで加熱した際の重量損失が、２％以下であることを特徴とする請求項９～１３のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。
15. 前記レーザーが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーであることを特徴とする請求項９～１４のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。
16. 前記粉末層の層厚が、５μｍ以上１００μｍ以下であり、前記レーザービームは前記三次元データに基づいて走査され、前記走査された前記レーザービームが、前記粉末層の前記表面からずれた焦点位置に集光されていることを特徴とする請求項９～１５のいずれか一項に記載のセラミックス造形物の製造方法。

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