JP7484738B2 - 造形体の製造方法、および、造形体 - Google Patents

Description

本発明は、造形体の製造方法、および、造形体に関する。

従来から、出射されたレーザ光に対して金属を供給して溶融させたのち、基材の上で凝固させることで、金属の造形体を製造する製造方法が知られている。例えば、特許文献１には、造形体の主成分となる金属と、造形体の主成分より融点が高い異種金属と、が混合された混合粉末を用いて、造形体を製造する技術が開示されている。

特開２０１９－０８５６０４号公報

しかしながら、上記先行技術によっても、造形体において、造形体の内部に形成される空孔を低減する技術については、なお、改善の余地があった。例えば、特許文献１の技術では、基材の上に造形体を造形する場合、レーザ光によって溶融した金属の熱は、基材に流れやすいため、溶融した金属は、凝固しやすい。溶融した状態の金属の内部に留まっている気体は、溶融した金属が凝固すると内部に閉じ込められて空孔となるため、特許文献１の技術では、空孔が形成されやすい。空孔が多くなると、造形体の強度が低下するおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、造形体において、内部の空孔を低減し、強度を向上する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、金属を含んだ第１造形層を積層させて造形体を製造する造形体の製造方法が提供される。この造形体の製造方法は、基材の表面に前記第１造形層よりも熱伝導率が低い第２造形層を形成する第１工程と、前記第２造形層の上に前記第１造形層を積層させて、前記造形体を形成する第２工程と、を備える。

この構成によれば、第１工程において、基材の表面に第２造形層を形成したのち、第２工程において、第２造形層の上に第１造形層を積層させて造形体を形成する。金属を含んだ第１造形層を、第１造形層を形成する金属を一旦溶融させて形成する場合、溶融した金属の内部に気体が留まるおそれがある。上述の製造方法では、第１工程で形成する第２造形層は、第１造形層よりも熱伝導率が低いため、第２工程において溶融した金属の熱は、第２造形層を通って基材に流れにくくなっている。これにより、溶融した金属が凝固するまでの時間は、比較的長くなるため、溶融した金属内の気体は、外部に排出されやすくなり、溶融した金属が凝固することで形成される第１造形層に空孔が形成されにくくなる。したがって、造形体の内部の空孔を低減することができるため、造形体の強度を向上することができる。

（２）上記形態の造形体の製造方法において、前記第２工程では、出射されたレーザ光に第１金属粉末を供給することによって前記第１金属粉末を加熱し、前記第２造形層の上で前記第１金属粉末を溶融および凝固させて前記第１造形層を形成し、前記第１工程では、前記第１金属粉末と前記第１金属粉末よりも熱伝導率が低い第２金属粉末とを混合させた混合粉末を、出射されたレーザ光に供給することによって前記混合粉末を加熱し、前記基材の上で前記混合粉末を溶融および凝固させて前記第２造形層を形成してもよい。この構成によれば、第２造形層は、第１造形層を形成する第１金属の粉末と、第１金属よりも熱伝導率が低い第２金属の粉末とを混合させた混合粉末から形成される。これにより、第２造形層には、第１造形層を形成する第１金属が含まれるため、第１造形層と第２造形層との接合力を向上することができる。したがって、造形体の強度をさらに向上することができる。

（３）上記形態の造形体の製造方法において、前記第１金属粉末は、前記基材と同じ成分を含んでいてもよい。この構成によれば、第１金属粉末は、基材と同じ成分を含んでいる。これにより、第１金属粉末から形成される第１造形層は、基材との接合力が向上するため、例えば、基材に形成されている窪みに第１造形層を形成することで第１造形層と基材とが接触する場合、造形体と基材との接合力を向上することができる。

（４）上記形態の造形体の製造方法において、前記第２工程では、前記第１金属粉末は、キャリアガスによって前記第２造形層に向けて供給されてもよい。この構成によれば、第２工程において、第１金属粉末は、キャリアガスによって第２造形層の上に供給される。これにより、第１金属粉末は、第２造形層の上に供給されやすくなるため、第１造形層の成形速度を向上することができる。また、第２工程において、第１金属粉末を第２造形層の上に供給するキャリアガスが、溶融する第１金属の内部に含まれても、熱伝導率が低い第２造形層によって溶融した第１金属は、凝固しにくくなっているため、第１造形層に空孔は形成されにくい。これにより、造形体の強度を向上しつつ、造形体の成形速度を向上することができる。

（５）上記形態の造形体の製造方法において、前記第１工程では、前記基材の上に前記第２造形層を複数積層させてもよい。この構成によれば、第１工程において、基材の上に複数の第２造形層を積層させる。これにより、基材と第１造形層との間の熱伝導率はさらに低下するため、第１造形層を形成するときに、溶融した金属は、さらに凝固しにくくなる。したがって、第１造形層にはさらに空孔が形成されにくくなるため、造形体の強度をさらに向上することができる。

（６）上記形態の造形体の製造方法において、前記第２工程は、前記第２造形層を加熱する工程と、加熱された前記第２造形層の上に、前記第１造形層を積層させる工程と、を含んでもよい。この構成によれば、第２工程において、加熱された第２造形層の上に第１造形層を積層させる。これにより、第２造形層の上で溶融した金属の熱は、第２造形層を通って基材にさらに流れにくくなるため、溶融した金属が凝固するまでの時間は、さらに長くなり、空孔がさらに形成されにくくなる。したがって、第１造形層に形成される空孔をさらに低減することができるため、造形体の強度をさらに向上することができる。

（７）上記形態の造形体の製造方法において、前記第２工程では、減圧環境下で前記第１造形層を積層させてもよい。この構成によれば、第２工程において、減圧環境下で第１造形層を積層させる。これにより、溶融した金属内の気体は、外部にさらに排出されやすくなるため、第１造形層に空孔がさらに形成されにくくなる。したがって、第１造形層に形成される空孔をさらに低減することができるため、造形体の強度をさらに向上することができる。

（８）本発明の別の形態によれば、造形体が提供される。この造形体は、基材の上と、前記基材に積層される第１造形層であって、金属を含む第１造形層と、前記基材と前記第１造形層との間に配置される第２造形層であって、熱伝導率が前記第１造形層の熱伝導率より低い第２造形層と、を備える。この構成によれば、造形体は、基材の上に形成される第２造形層と、第２造形層の上に積層される第１造形層と、を備える。金属を溶融および凝固させて第１造形層を形成する場合、溶融した金属の内部に気体が留まるおそれがある。上述の構成の造形体では、第２造形層は、第１造形層よりも熱伝導率が低いため、溶融した金属の熱は、第２造形層を通って基材に流れにくくなっている。これにより、溶融した金属が凝固するまでの時間は、第２造形層の熱伝導率が比較的高い場合に比べ長くなるため、溶融した金属内の気体は、外部に排出されやすくなり、溶融した金属が凝固することで形成される第１造形層に空孔が形成されにくくなる。したがって、造形体の内部の空孔を低減することができるため、造形体の強度を向上することができる。

（９）上記形態の造形体において、前記第１造形層は、第１金属を含んでおり、前記第２造形層は、前記第１金属と、前記第１金属より熱伝導率が低い成分と、を含んでいてもよい。この構成によれば、第２造形層は、第１造形層を形成する第１金属と、第１金属よりも熱伝導率が低い成分と、を含んでいる。これにより、第２造形層には、第１造形層の第１金属が含まれるため、第１造形層と第２造形層との接合力を向上することができる。したがって、造形体の強度をさらに向上することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、造形体の製造方法を実行する装置やシステム、これら装置およびシステムの制御方法、これら装置およびシステムにおいて造形体の製造方法を実行させるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態の造形体製造装置の概略構成を示す模式図である。 第１実施形態の造形体製造装置での造形体の製造状況を説明する図である。 比較例の造形体製造装置での造形体の製造状況を説明する図である。 第１実施形態の造形体の製造方法で製造した造形体の断面写真である。 比較例の造形体の製造方法で製造した造形体の断面写真である。 造形体の空孔率を示す図である。 第２実施形態の造形体製造装置での造形体の製造状況を説明する図である。 第３実施形態の造形体製造装置の概略構成を示す模式図である。 第４実施形態の造形体製造装置での造形体の製造状況を説明する図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の造形体製造装置１の概略構成を示す模式図である。図２は、第１実施形態の造形体製造装置１での造形体の製造状況を説明する図である。造形体製造装置１は、レーザ出射部１０と、原料供給部２０と、ノズル部３０と、制御部４０と、を備える。第１実施形態の造形体製造装置１によって造形される造形体５は、図１に示すように、基材６と、第２造形層７ａと、複数の第１造形層８ａ、８ｂと、を備える。なお、説明の便宜上、図１および図２では、本実施形態の造形体製造装置１において、鉛直方向をｚ軸方向とする。また、ｚ軸に垂直な方向をｘ軸方向とし、ｚ軸とｘ軸とに垂直な方向をｙ軸方向とする。

レーザ出射部１０は、基材６の上方（ｚ軸のプラス方向）に配置されており、図示しないレーザ光源を有する。レーザ出射部１０は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０が出力する指令に応じて、レーザ光源からレーザ光Ｌｚを出射する。レーザ光Ｌｚは、ノズル部３０に向けて出射される。

原料供給部２０は、ノズル部３０に金属粉末を供給する。原料供給部２０は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０が出力する指令に応じて、金属粉末をノズル部３０に供給する。本実施形態では、原料供給部２０は、図示しないガス供給部が供給するキャリアガスとともに、複数の種類の金属粉末をノズル部３０に供給可能である。

ノズル部３０は、ノズル３１と、駆動部３２と、を備える。ノズル３１は、基材６とレーザ出射部１０との間に配置されている。ノズル３１は、図２に示すように、二重管構造を有しており、内管部３３と、外管部３４とを有する。内管部３３は、ｚ軸のマイナス方向に向かうにしたがって、外径が小さくなるように形成されている管状部材である。内管部３３は、レーザ出射部１０から出射されたレーザ光Ｌｚが通るように形成されている。本実施形態では、内管部３３の内側を通るレーザ光Ｌｚの周囲には、レーザ光Ｌｚを囲むようにシールドガスＧ１が供給されている。外管部３４は、内管部３３の外側に配置されている管状部材である。外管部３４は、ｚ軸のマイナス方向に向かうにしたがって、外径が小さくなるように形成されている。内管部３３と外管部３４との間には、原料供給部２０が供給する金属粉末Ｍが通る通路３５が形成されている。通路３５を通る金属粉末Ｍは、キャリアガスＧ２（図２参照）とともに基材６の上に向かって供給される。ノズル３１は、駆動部３２に接続されている。

駆動部３２は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０の指令に応じて、ノズル３１を駆動する駆動力を発生する。本実施形態では、ノズル３１は、基材６に対してｚ軸方向、ｘ軸方向、および、ｙ軸方向のいずれの方向にも移動可能に設けられている。これにより、基材６の表面６１の任意の場所に、第２造形層７ａと複数の第１造形層８ａ、８ｂとを形成することができる。

制御部４０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータである。制御部４０は、レーザ出射部１０と、原料供給部２０と、駆動部３２とのそれぞれと、電気的に接続している。制御部４０は、事前に入力されているコンピュータプログラムに応じて、レーザ出射部１０から出射されるレーザ光Ｌｚの出射タイミングや強度などや、原料供給部２０によって供給される金属粉末の種類や供給量などを制御する。また、制御部４０は、駆動部３２によるノズル３１の移動を制御する。

次に、本実施形態の造形体５の製造方法を説明する。本実施形態の造形体５の製造方法は、例えば、指向性エネルギー堆積方式（デポジション方式）による製造方法である。指向性エネルギー堆積方式では、基材６に向けて照射されるレーザ光Ｌｚの照射領域に、キャリアガスＧ２によって金属粉末Ｍを供給することで、レーザ光Ｌｚによって溶融された金属粉末Ｍを基材６の上に堆積させて、任意の形状の造形体５を造形する。なお、造形体５の製造方法は、指向性エネルギー堆積方式に限定されず、第１造形層８ａ、８ｂや第２造形層７ａを形成する金属を一旦溶融させて凝固させることで任意の形状の造形体５を造形することが可能な方法であればよい。

最初に、第１工程として、基材６の表面６１に第２造形層７ａを形成する。具体的には、レーザ出射部１０によって基材６の表面６１に向けてレーザ光Ｌｚを出射させた状態で、第２造形層７ａとなる混合粉末をレーザ光Ｌｚに供給する。第１工程において、原料供給部２０が供給する混合粉末は、第１造形層８ａ、８ｂとなる第１金属の粉末と、第１金属よりも熱伝導率が低い第２金属の粉末と、を混合させたものである。本実施形態では、第１金属は、例えば、熱伝導率が２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）のＳＫＨ５１であり、第２金属は、例えば、熱伝導率がＳＫＨ５１の熱伝導率より低い２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の炭化チタン（ＴｉＣ）である。これにより、第２造形層７ａの熱伝導率は、第１造形層８ａ、８ｂの熱伝導率より低くなる。本実施形態では、混合粉末は、ＳＫＨ５１の粉末（第１金属粉末）と、ＴｉＣの粉末（第２金属粉末）とが、体積比で１：１の割合で混合されている。第１工程では、この混合粉末をレーザ光Ｌｚによって加熱し溶融した後、ＳＳ４００から形成されている鉄系の基材６の表面６１で凝固させることで、第２造形層７ａを形成する。本実施形態では、ノズル３１を基材６の表面６１に沿ってｘ軸方向およびｙ軸方向の少なくとも一方向に移動させることで、基材６上の任意の範囲に第２造形層７ａを形成することができる。本実施形態では、第２造形層７ａは、１００μｍの厚さとなるように形成される。

次に、第２工程として、第１工程で形成された第２造形層７ａの上に、第１造形層８ａ、８ｂを積層させて、造形体５を形成する。具体的には、レーザ出射部１０によって第２造形層７ａの表面７１に向けてレーザ光Ｌｚを出射させた状態で、第１造形層８の成分であるＳＫＨ５１の粉末をレーザ光Ｌｚに供給する。第２工程において、ＳＫＨ５１の粉末は、図２に示すように、例えば、アルゴン（Ａｒ）などのキャリアガスＧ２によって搬送される。本実施形態では、第２工程の最初として、ノズル３１を第２造形層７ａの表面７１に沿って移動させることで、第２造形層７ａの表面７１上に最初の第１造形層８ａが形成される。さらに、ノズル３１を第１造形層８ａの表面８１に沿って移動させることで、第１造形層８ａの表面８１上に第１造形層８ｂが形成される（図２参照）。このようにして、第２造形層７ａの上に、複数の第１造形層８ａ、８ｂを形成し、任意の形状の造形体５を形成する。なお、図２では、２つの第１造形層８ａ、８ｂのみを示しているが、３つ以上の第１造形層を積層してもよい。

本実施形態の造形体５の製造方法では、第２工程において、図２に示すように、レーザ光Ｌｚに供給されたＳＫＨ５１の粉末Ｍは、レーザ光Ｌｚによって加熱されることで溶融するため、第２造形層７ａの表面７１上や直前に形成された第１造形層の表面（例えば、図２に示す第１造形層８ａの表面８１上）に、ＳＫＨ５１の溶融池８ｃが形成される。この溶融池８ｃの内部には、レーザ光ＬｚのシールドガスＧ１や、ＳＫＨ５１の粉末ＭのキャリアガスＧ２などの気体が留まるおそれがある。気体が内部に留まったまま溶融池８ｃが凝固すると、第１造形層８ａ、８ｂの内部に、内部に留まった気体によって空孔が形成される。本実施形態の造形体５の製造方法では、基材６と第１造形層８ａ、８ｂとの間に、熱伝導率が比較的低い第２造形層７ａが形成されているため、第１造形層８ａ、８ｂの熱は、第２造形層７ａを通って基材６に流れにくくなっている。これにより、溶融したＳＫＨ５１が凝固するまでの時間は、比較的長くなるため、溶融池８ｃに含まれる気体は、外部に排出されやすくなり、溶融池８ｃが凝固することで形成される第１造形層８ａ、８ｂに空孔が形成されにくくなる。したがって、造形体５の内部の空孔を低減することができるため、造形体５の強度を向上することができる。なお、第１造形層８ａ、８ｂに形成される空孔は、キャリアガスＧ２によるものだけに限定されない。

図３は、比較例の造形体製造装置での造形体９の製造状況を説明する図である。比較例の造形体９の製造方法は、本実施形態と同様に、基材６の表面６１にレーザ光Ｌｚを出射させた状態で、第１造形層９ａを形成する金属の粉末をレーザ光Ｌｚに供給することで、基材６の表面６１上に、第１造形層９ａを直接形成する。さらに、第１造形層９ａ上に、第１造形層９ａの製造方法と同じ方法で第１造形層９ｂを形成し、第１造形層９ａの製造方法と同じ方法で第１造形層９ｃを形成する。比較例の造形体９の製造方法において、第１造形層９ａ、９ｂ、９ｃを形成するとき、基材６上または直前に形成された第１造形層上に、第１造形層９ａの金属の溶融池が形成される（例えば、図３に示す溶融池９ｄ）。この溶融池９ｄには、キャリアガスＧ２が留まるおそれがあり、このまま溶融池９ｄが凝固すると、第１造形層９ａ、９ｂ、９ｃの内部に、キャリアガスＧ２由来の空孔Ｖが形成される（図３参照）。造形体９に空孔Ｖが存在すると、造形体９の強度が低くなり、壊れやすくなる。

図４は、第１実施形態の造形体の製造方法で製造した造形体５の断面写真である。図５は、比較例の造形体の製造方法で製造した造形体の断面写真である。図４に示す造形体５と、図５に示す造形体９とのそれぞれは、出力が７５０Ｗのレーザ光を出射した状態で、ＳＫＨ５１の粉末を、供給量０．１ｇ／ｓ、キャリアガス流量２５Ｌ／ｍｉｎの条件でレーザ光に供給することで、円柱形状に形成したものである。図４に示すように、本実施形態の造形体の製造方法で製造した造形体５では、第１造形層８の内部に、内径が大きな空孔は確認されず、また、空孔の数も比較的少ない。一方、図５に示すように、比較例の造形体の製造方法で製造した造形体９では、第１造形層９ａの内部に、内径が大きな空孔が形成されており、第１造形層９ａの内部の空孔の数も、本実施形態の第１造形層８に比べると多いことが明らかとなった。

図６は、造形体の空孔率を示す図である。図６には、図４で示した、本実施形態の製造方法で製造した造形体５の空孔率と、図５で示した、比較例の製造方法で製造した造形体９の空孔率と、を示している。ここで、空孔率とは、図４および図５で示した造形体の断面積に対する空孔Ｖの断面積の比である。図６に示すように、比較例の造形体９の空孔率は、５．９９％となる一方、本実施形態の造形体５の空孔率は、０．１１％となることが明らかとなった。すなわち、本実施形態の造形体５の内部には、比較例の造形体９の内部に比べ、空孔となっている部分が少ないことを示している。

以上説明した、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、第１工程において、基材６の表面６１に第２造形層７ａを形成したのち、第２工程において、第２造形層７ａの上に第１造形層８を積層させて造形体５を形成する。ＳＫＨ５１の粉末を一旦溶融させて第１造形層８を形成する場合、溶融したＳＫＨ５１の内部に、ＳＫＨ５１の粉末を搬送したキャリアガスなどが留まるおそれがある。本実施形態の造形体５の製造方法では、第１工程で形成される第２造形層７ａは、第１造形層８よりも熱伝導率が低いため、第２工程において溶融したＳＫＨ５１の熱は、第２造形層７ａを通って基材６に流れにくくなっている。これにより、溶融したＳＫＨ５１が凝固するまでの時間は、比較的長くなるため、溶融したＳＫＨ５１内の気体は、外部に排出されやすくなり、溶融したＳＫＨ５１が凝固することで形成される第１造形層８に空孔が形成されにくくなる。したがって、第１造形層８ａ、８ｂを形成する金属の融点に影響されることなく、造形体５の内部の空孔を低減することができるため、造形体５の強度を向上することができる。

また、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、溶融したＳＫＨ５１が凝固するまでの時間は、比較的長くなる。これにより、本実施形態の造形体５の製造方法では、比較的高融点の成分を含む造形体の製造にも適用することができる。したがって、第１造形層８ａ、８ｂの成分に影響されることなく造形体５の内部の空孔を低減することができるため、様々な成分の造形体５の強度を向上することができる。

また、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、第２造形層７ａは、第１造形層８を形成するＳＫＨ５１の粉末と、ＳＫＨ５１よりも熱伝導率が低いＴｉＣの粉末とを混合させた混合粉末を用いて形成される。これにより、第２造形層７ａには、第１造形層８を形成する鉄系の成分が含まれるため、第１造形層８と第２造形層７ａとの接合力を向上することができる。したがって、造形体５の強度をさらに向上することができる。

また、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、第２工程において、ＳＫＨ５１の粉末は、キャリアガスＧ２によって第２造形層７ａの上に供給される。これにより、ＳＫＨ５１の粉末は、第２造形層７ａの上に供給されやすくなるため、第１造形層８ａ、８ｂ、の成形速度を向上することができる。また、第２工程において、ＳＫＨ５１の粉末を第２造形層７ａの上に供給するキャリアガスＧ２が溶融するＳＫＨ５１の内部に含まれても、熱伝導率が比較的低い第２造形層７ａによって溶融したＳＫＨ５１は凝固しにくくなっているため、第１造形層８ａ、８ｂに空孔Ｖは形成されにくい。これにより、造形体５の強度を向上しつつ、造形体５の成形速度を向上することができる。

また、本実施形態の造形体５によれば、造形体５は、基材６上に形成される第２造形層７ａと、第２造形層７ａの上に積層される第１造形層８ａ、８ｂと、を備える。第１造形層８ａを形成するＳＫＨ５１の粉末を溶融および凝固させて第１造形層８ａ、８ｂを形成する場合、溶融したＳＫＨ５１の内部にキャリアガスＧ２が留まるおそれがある。しかしながら、造形体５では、第２造形層７ａの熱伝導率が第１造形層８の熱伝導率よりも低いため、溶融したＳＫＨ５１の熱は、第２造形層７ａを通って基材６に流れにくくなっている。これにより、溶融したＳＫＨ５１が凝固するまでの時間は、第２造形層７ａの熱伝導率が比較的高い場合に比べ長くなるため、溶融したＳＫＨ５１内のキャリアガスＧ２は外部に排出されやすくなり、第１造形層８に空孔が形成されにくくなる。したがって、第１造形層８ａ、８ｂの内部の空孔Ｖを低減することができるため、第１造形層８ａ、８ｂを形成する金属の種類に影響されることなく、造形体５の強度を向上することができる。

また、本実施形態の造形体５によれば、第２造形層７ａは、第１造形層８ａ、８ｂを形成するＳＫＨ５１と、ＳＫＨ５１よりも熱伝導率が低いＴｉＣと、を含む。これにより、第２造形層７ａには、第１造形層８ａ、８ｂの鉄系の成分が含まれるため、第１造形層８ａ、８ｂと第２造形層７ａとの接合力を向上することができる。したがって、造形体５の強度をさらに向上することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態の造形体製造装置での造形体の製造状況を説明する図である。第２実施形態の造形体の製造方法は、第１実施形態の造形体の製造方法（図１）と比較すると、基材と第１造形層との間に、複数の第２造形層を積層する点が異なる。

第２実施形態の造形体５は、図７に示すように、基材６と、複数の第２造形層７ａ、７ｂと、複数の第１造形層８ａ、８ｂと、から形成される。複数の第２造形層７ａ、７ｂは、第１実施形態の造形体５の製造方法において、第２工程の前に、第１工程を２回繰り返すことで、それぞれが形成される。第２工程では、複数の第２造形層７ａ、７ｂのうち、最後に形成した第２造形層７ｂの上に、第１造形層８ａを形成する。

以上説明した、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、第１工程において、基材６の上に複数の第２造形層７ａ、７ｂを積層させる。これにより、基材６と第１造形層８ａ、８ｂとの間の熱伝導率がさらに低下するため、第１造形層８ａ、８ｂを形成するときに、溶融したＳＫＨ５１は、さらに凝固しにくくなる。したがって、第１造形層８ａ、８ｂにはさらに空孔Ｖが形成されにくくなるため、造形体５の強度をさらに向上することができる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態の造形体製造装置３の概略構成を示す模式図である。第３実施形態の造形体の製造方法は、第１実施形態の造形体の製造方法（図１）と比較すると、第２工程において、減圧環境下で第１造形層を形成する点と、第２造形層を加熱する点が異なる。

本実施形態の造形体製造装置３は、レーザ出射部１０と、原料供給部２０と、ノズル部３０と、制御部４０と、カバー５１と、加熱部５２と、を備える。カバー５１は、図８に示すように、基材６の表面６１において、第１造形層８ａ、８ｂが形成される範囲を囲むことが可能なケースである。カバー５１の内部は、図示しない減圧ポンプに接続されており、制御部４０の指令に応じて減圧ポンプが駆動すると、減圧することが可能である。カバー５１には、ノズル３１が挿入可能な貫通孔５１ａが形成されている。

加熱部５２は、基材６を加熱可能な、例えば、ヒータである。加熱部５２は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０の指令に応じて発熱する。加熱部５２において発生した熱は、基材６や第２造形層７ａの温度を上昇させるために利用される。なお、加熱部５２は、ヒータに限定されず、基材６とともに第２造形層７ａを加熱可能な、例えば、バーナーであってもよい。

第３実施形態の造形体５の製造方法では、第２工程において、カバー５１の内部を減圧するとともに、基材６を加熱することで第２造形層７ａを加熱する。第２工程では、この加熱されている第２造形層７ａの上に、第１造形層８ａ、８ｂを形成する。

以上説明した、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、第２工程において、加熱された第２造形層７ａの上に第１造形層８ａ、８ｂを積層させる。これにより、第２工程において、第２造形層７ａの上で溶融したＳＫＨ５１の熱は、第２造形層７ａを通って基材６にさらに流れにくくなるため、溶融したＳＫＨ５１が凝固するまでの時間は、さらに長くなり、第１造形層８ａ、８ｂに空孔Ｖがさらに形成されにくくなる。したがって、第１造形層８ａ、８ｂの内部の空孔Ｖをさらに低減することができるため、造形体５の強度をさらに向上することができる。

また、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、第２工程において、減圧環境下で第１造形層８ａ、８ｂを積層させる。これにより、溶融したＳＫＨ５１内のキャリアガスＧ２は、外部にさらに排出されやすくなるため、第１造形層８ａ、８ｂに空孔Ｖがさらに形成されにくくなる。したがって、第１造形層８ａ、８ｂの内部の空孔Ｖをさらに低減することができるため、造形体５の強度をさらに向上することができる。

＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態の造形体製造装置での造形体の製造状況を説明する図である。第４実施形態の造形体の製造方法は、第１実施形態の造形体の製造方法（図１）と比較すると、第２工程においてレーザ光に供給する金属の種類が異なる。

第４実施形態の造形体５が備える基材６は、窪み６２が形成されている。第４実施形態の造形体５の基材６は、例えば、金型であって、窪み６２は、その金型の一部に形成されている。

第４実施形態の造形体５の製造方法では、第１工程において、窪み６２の内側に、第２造形層７ａを形成したのち、第２工程において、複数の第１造形層８ａ、８ｂを形成する。この第２工程において、第１金属として、基材６と同じ成分のＳＳ４００の粉末Ｍをレーザ光Ｌｚに供給する。これにより、窪み６２の内側に接触する第１造形層８ａ、８ｂは、基材６と同じ成分を含むこととなる。

以上説明した、本実施形態の造形体５の製造方法によれば、第２工程において供給される金属は、基材６と同じ成分である。これにより、第１造形層８ａ、８ｂは、基材６との接合力が向上する。したがって、基材６に形成されている窪み６２に第１造形層８ａ、８ｂを形成することで、第１造形層８ａ、８ｂと基材６との接合力が向上するため、基材６を含む造形体５の強度をさらに向上することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
上述の実施形態では、第１工程において、第１金属であるＳＫＨ５１の粒子と熱伝導率がＳＫＨ５１の熱伝導率より低いＴｉＣの粉末とを混合した混合粉末を用いて、第２造形層７ａを形成するとした。しかしながら、第２造形層の成分は、これに限定されない。第２造形層の成分は、第２造形層の熱伝導率が第１造形層の熱伝導率より小さくなる成分であればよい。したがって、第１工程において、レーザ光Ｌｚに供給される混合粉末は、ＳＫＨ５１の粒子に、ＴｉＣ以外の熱伝導率が小さい粒子を混合したものであってもよいし、第１造形層の成分より熱伝導率が小さい、１種類の成分からなる粒子であってもよい。

［変形例２］
上述の実施形態では、キャリアガスによってＳＫＨ５１の粉末を供給するとした。しかしながら、キャリアガスはなくてもよい。キャリアガスがない場合でも、レーザ光のシールドガスや第１造形層を形成する環境中の気体が溶融した第１金属の内部に留まることによって空孔が形成される場合がある。この場合であっても、上述の実施形態のように、溶融した第１金属が凝固するまでの時間が長くなるため、内部の気体は外部に排出されることで、造形体の内部の空孔を低減することができる。

［変形例３］
上述の実施形態では、造形体の製造方法は、指向性エネルギー堆積方式による製造方法であるとした。しかしながら、造形体の製造方法は、これに限定されない。基材の表面に、第２造形層を形成したのち、第２造形層の上に、第１造形層を積層させて造形体を造形する方法であればよい。

［変形例４］
第３実施形態では、第２工程において、加熱部５２を用いて基材６および第２造形層７ａを加熱し、カバー５１を用いて第１造形層８ａ、８ｂを減圧環境下で形成するとした、しかしながら、加熱部５２による加熱のみや、カバー５１による減圧のみであってもよい。加熱のみであっても、第１造形層８ａ、８ｂからの熱の移動を抑制することができるし、減圧のみであっても、溶融したＳＫＨ５１の内部に含まれる気体を外部に排出しやすくなる。これらによって、第１造形層８ａ、８ｂの内部の空孔Ｖをさらに低減することができるため、造形体５の強度をさらに向上することができる。

［変形例５］
第３実施形態では、第２工程において、加熱されている第２造形層７ａの上に、第１造形層８ａ、８ｂを形成するとした。しかしながら、第２工程において、第２造形層７ａを加熱するタイミングと第１造形層８ａ、８ｂを形成するタイミングとの関係は、これに限定されない。先に第２造形層７ａを加熱した後、加熱された第２造形層７ａの上に、第１造形層８ａ、８ｂを形成してもよい。これによっても、第２造形層７ａの上で溶融したＳＫＨ５１の熱は、第２造形層７ａを通って基材６にさらに流れにくくなるため、第１造形層８ａ、８ｂの内部の空孔Ｖをさらに低減し、造形体５の強度をさらに向上することができる。

［変形例６］
第４実施形態において、基材６の窪み６２に、複数の第２造形層を形成したのち、第１造形層を形成してもよい。これにより、第１造形層を形成するときに、溶融した第１金属の熱が、比較的熱容量が大きい金型に逃げることをさらに抑制できるため、造形体５の内部の空孔をさらに低減することができる。したがって、基材６を含む造形体５の強度をさらに向上することができる。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１，３…造形体製造装置
５…造形体
６…基材
７ａ，７ｂ…第２造形層
８，８ａ，８ｂ…第１造形層
１０…レーザ出射部
２０…原料供給部
３０…ノズル部
３１…ノズル
３２…駆動部
４０…制御部
５１…カバー
５２…加熱部
６１…表面
６２…窪み
Ｇ１…シールドガス
Ｇ２…キャリアガス
Ｌｚ…レーザ光
Ｍ…金属粉末
Ｖ…空孔

Claims (9)

1. 金属を含んだ第１造形層を積層させて造形体を製造する造形体の製造方法であって、
   基材の表面に前記第１造形層よりも熱伝導率が低い第２造形層を形成する第１工程と、
   前記第２造形層の上に前記第１造形層を積層させて、前記造形体を形成する第２工程と、を備え、
   前記第２工程では、前記第２造形層の上に形成される金属の溶融池が凝固し前記第１造形層が形成されるまでの間、前記溶融池に含まれる気体を外部に排出させる、
   造形体の製造方法。
2. 請求項１に記載の造形体の製造方法であって、
   前記第２工程では、出射されたレーザ光に第１金属粉末を供給することによって前記第１金属粉末を加熱し、前記第２造形層の上で前記第１金属粉末を溶融および凝固させて前記第１造形層を形成し、
   前記第１工程では、前記第１金属粉末と前記第１金属粉末よりも熱伝導率が低い第２金属粉末とを混合させた混合粉末を、出射されたレーザ光に供給することによって前記混合粉末を加熱し、前記基材の上で前記混合粉末を溶融および凝固させて前記第２造形層を形成する、
   造形体の製造方法。
3. 請求項２に記載の造形体の製造方法であって、
   前記第１金属粉末は、前記基材と同じ成分を含む、
   造形体の製造方法。
4. 請求項２または請求項３に記載の造形体の製造方法であって、
   前記第２工程では、前記第１金属粉末は、キャリアガスによって前記第２造形層に向けて供給される、
   造形体の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の造形体の製造方法であって、
   前記第１工程では、前記基材の上に前記第２造形層を複数積層させる、
   造形体の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の造形体の製造方法であって、
   前記第２工程は、
   前記第２造形層を加熱する工程と、
   加熱された前記第２造形層の上に、前記第１造形層を積層させる工程と、を含む、
   造形体の製造方法。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の造形体の製造方法であって、
   前記第２工程では、減圧環境下で前記第１造形層を積層させる、
   造形体の製造方法。
8. 造形体であって、
   基材、第２造形層、第１造形層の順に積層されており、
   前記第１造形層は、金属を含んでおり、
   前記第２造形層は、熱伝導率が前記第１造形層の熱伝導率より低い、
   造形体。
9. 請求項８に記載の造形体であって、
   前記第１造形層は、第１金属を含んでおり、
   前記第２造形層は、前記第１金属と、前記第１金属より熱伝導率が低い成分と、を含んでいる、
   造形体。

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