JPWO2019203275A1 - 金属造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

製造装置の大掛かりな改造を必要とせずに、簡便な方法で製造時間を短縮できる金属造形物の製造方法を提供することを目的とし、本発明は、ベースプレート上の金属粉体の周囲に供給されるシールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて前記金属粉体に熱を供給し、前記ベースプレート上で金属層を造形して、前記金属層を順次積層する金属造形物の製造方法であって、前記ベースプレートと接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３とする、金属造形物の製造方法を提供する。

Description

本発明は、金属造形物の製造方法に関する。

Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと称される付加製造技術がある。付加製造技術は、任意の形状の立体構造物を任意の材料で製造できるため、航空機産業及び医療等の先端技術分野で有望な技術として注目されている。
付加製造技術を利用する装置の一例として、金属３Ｄプリンターが知られている。金属３Ｄプリンターは、レーザー等のエネルギー線で金属粉体を加熱して得られる金属層を積層し、金属造形物を高精度で製造できる（特許文献１）。

特開２０１７−１７０４５４号公報

金属３Ｄプリンターにおいて、サイズの大きな金属造形物を製造する場合は、多大な時間を製造に要する。これは、レーザーが照射されて形成される金属層の一層分の厚さが１０〜１００μｍと非常に薄く、金属造形物のサイズが大きい場合には積層の回数が非常に多くなるためである。

金属３Ｄプリンターにおいては、製造途中における金属造形物への蓄熱により機械的強度が低下する懸念があるため、レーザーの出力値が比較的低く設定されることがある。このようにレーザーのエネルギーの上限値にある程度の制約がある場合、レーザーの走査速度を速くして、製造時間を短縮しようとすると、金属層どうしの層間結合強度を維持しにくくなる。

そこで特許文献１は、金属粉体の加工の際のエネルギー効率の向上を目的としたレーザー加工装置を開示している。金属粉体の加工の際のエネルギー効率が向上すると、金属層の一層分の形成時間を短縮でき、金属造形物の全体の製造時間を短縮できる。
ところが、特許文献１に記載のレーザー加工装置は、複数のレーザー光源を必須の構成としている。そのため、複数のレーザー光源を設けるために製造装置の大掛かりな改造を必要とする。また、一度の製造プロセスにおいて複数のレーザー光源を制御することは、簡便ではない。

本発明は、製造装置の大掛かりな改造を必要とせずに、簡便な方法で製造時間を短縮できる金属造形物の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の金属造形物の製造方法を提供する。
［１］ ベースプレート上の金属粉体の周囲に供給されるシールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて前記金属粉体に熱を供給し、前記ベースプレート上で金属層を造形して、前記金属層を順次積層する金属造形物の製造方法であって、前記ベースプレートと接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３とする、金属造形物の製造方法。
［２］ 前記第１の金属層を造形する際に、シールドガスが、シールドガス１００体積％に対し２０体積％以上のヘリウムを含む、［１］の金属造形物の製造方法。
［３］ 前記第１の金属層を造形した後、前記第１の金属層の表面から前記金属層を順次積層する際に、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、前記第１の金属層を造形した際のシールドガスの単位体積あたりの質量の値と同じとする、［１］又は［２］の金属造形物の製造方法。
［４］ 前記第１の金属層を造形した後、前記第１の金属層の表面から前記金属層を順次積層するにしたがって、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、前記第１の金属層を造形した際のシールドガスの単位体積あたりの質量の値から段階的に大きくする、［１］又は［２］の金属造形物の製造方法。
［５］ 前記第１の金属層を造形した後、前記第１の金属層の表面から前記金属層を順次積層するにしたがって、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、前記第１の金属層を造形した際のシールドガスの単位体積あたりの質量の値から適宜変更する、［１］又は［２］の金属造形物の製造方法。
［６］ 前記エネルギー線の出力値が１００〜１５００Ｗである、［１］〜［５］のいずれかの金属造形物の製造方法。
［７］ 前記エネルギー線の走査速度が６００〜３０００ｍｍ／ｓである、［１］〜［６］のいずれかの金属造形物の製造方法。
［８］ 前記エネルギー線の走査幅が０．０１〜０．２０ｍｍである、［１］〜［７］のいずれかの金属造形物の製造方法。
［９］ 前記金属粉体に合わせて、シールドガスの組成を選択する、［１］〜［８］のいずれかの金属造形物の製造方法。

本発明の金属造形物の製造方法によれば、製造装置の大掛かりな改造を必要とせずに、簡便な方法で製造時間を短縮できる。

一実施形態の金属造形物の製造方法を適用可能な金属造形物の製造装置の構成を示す模式図である。 図１の金属造形物の製造装置がｎ回目のレーザーの照射を行う際のチャンバー内の構成を説明するための模式図である。 実施例１、比較例１、比較例６、比較例１１、比較例１６における平均溶け込み深さを比較して示すグラフである。 実施例１〜５、比較例１〜２０におけるレーザーの走査速度と平均溶け込み深さとの関係を示す図である。

本明細書において、気体の「単位体積あたりの質量［ｇ／ｃｍ^３］」は、ガス密度計（例えば、横河電機社製）を用いて、温度２５℃、圧力０．１ＭＰａの条件下で測定される値である。
本明細書において、「ゲージ圧力」とは、ブルドン管圧力計を用いて２５℃の条件下で測定される値である。
本明細書において、数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。

以下、本実施形態に係る金属造形物の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本実施形態の金属造形物の製造方法を適用可能な金属造形物の製造装置２０の構成を示す模式図である。図１に示すように、金属造形物の製造装置２０は、レーザー発振機１と、光学系２と、チャンバー３と、シールドガスの第１の供給源４と、シールドガスの第２の供給源５とを備える。
以下、金属造形物の製造装置２０の構成について説明する。

レーザー発振機１はレーザーを照射できる形態であれば特に限定されない。レーザー発振機１は光学系２を経由させて、レーザーをチャンバー３内に照射する。これにより金属造形物の製造装置２０は、レーザーが照射された位置の金属粉体を焼結又は溶融固化することができる。その結果、金属粉体の焼結物又は金属粉体の溶融固化物を含む層（以下、「金属層」と記す。）がチャンバー３内で造形される。

光学系２はレーザー発振機１から金属粉体に照射されるレーザーの反射位置をあらかじめ入力されたデータにしたがって制御できる形態であれば特に限定されない。光学系２は、例えば一以上の反射鏡で構成できる。
金属造形物の製造装置２０は、あらかじめ入力されたデータにしたがって光学系２を制御することで、金属粉体へのレーザーの照射位置を制御できる。これにより、金属造形物の製造装置２０は、任意の形状に金属層を造形できる。

金属粉体としては、カーボン、ホウ素、マグネシウム、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、モリブテン、コバルト、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、チタン、アルミニウム等の各種の金属及びこれらの合金の粉末が例示される。
金属粉体が粒子状である場合、金属粉体の金属粒子の粒径は特に限定されないが、例えば１０〜２００μｍ程度とすることができる。

チャンバー３は、金属粉体にレーザーを照射して金属層を造形し、金属層を積層する操作が繰り返し行われる筐体である。チャンバー３は内部にシールドガスを充満させることができる形態であれば特に限定されない。
チャンバー３の上方の側面は、管路８と接続されている。チャンバー３には、管路８を介してシールドガスの第１の供給源４及びシールドガスの第２の供給源５からシールドガスが導入可能である。
シールドガスは、チャンバー３内の金属粉体の周囲に供給される気体である。管路８には図示略の制御装置が設けられている。制御装置は、管路８を介してチャンバー３内に供給されるシールドガスの組成を変更できる形態であれば特に限定されない。制御装置の具体的としては、第１の供給源４から供給されるシールドガスの流量と第２の供給源５から供給されるシールドガスの流量とをそれぞれ任意の値に制御する流量調節器等が例示される。

チャンバー３は、造形ステージ６を有している。造形ステージ６は、金属層の造形と造形した金属層の積層とを繰り返すための場である。造形ステージ６の上面にはベースプレート７が載置されている。
ベースプレート７は、金属造形物を載置するための板である。ベースプレート７上には、金属粉体が敷き詰められる。
ベースプレート７は、金属造形物の最下層を構成する金属層と接触する。金属造形物の最下層を構成する金属層は、金属造形物を製造する際に最初に照射されるレーザーによって造形される金属層である。

以上説明した構成を備える金属造形物の製造装置２０を用いて、図１を参照しながら本実施形態に係る金属造形物の製造方法について、具体的に説明する。
本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて金属粉体に熱を供給し、ベースプレート７上で金属層を造形して、金属層を積層する。

まず、金属層の造形の前に、シールドガスの第１の供給源４からチャンバー３内にシールドガスＧ_１を供給する。これにより、チャンバー３内にシールドガスＧ_１を充満させることが可能である。
ただし、本実施形態の金属造形物の製造方法では、チャンバー３内にシールドガスＧ_１を供給する前に、チャンバー３内に残留している酸素をチャンバー３内からパージすることが好ましい。これにより、金属造形物の機械的強度が向上する。酸素のパージに際しては、パージガスとしてシールドガスＧ_１を用いてもよく、パージの方法は特に限定されない。
具体的にはチャンバー３内の酸素の濃度が５体積％以下になるまでパージを行うことが好ましい。チャンバー３内の酸素が５体積％以下であると、金属粉体が酸化しにくく、金属造形物の機械的強度がさらに向上する。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスＧ_１は、水素、ヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン及びキセノンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、水素、ヘリウム、窒素及びネオンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことがより好ましく、水素及びヘリウムのいずれか一方又は両方を含むことがさらに好ましく、ヘリウムを含むことが特に好ましい。シールドガスＧ_１は、これらのガス成分を１種単独で含んでもよく、２種以上を併用して含んでもよい。ただし、シールドガスＧ_１は、ヘリウムを１種単独で含むことが最も好ましい。

次に、本実施形態の金属造形物の製造方法では、ベースプレート７上の金属粉体にレーザーを照射して熱を供給する。これにより、ベースプレート７と接する金属層である第１の金属層Ｘ_１が造形される。このように第１の金属層Ｘ_１は、金属造形物を製造する際に最初に照射されるレーザーによって造形される。すなわち、第１の金属層Ｘ_１は、金属造形物の最下層を構成する金属層である。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、第１の金属層Ｘ_１を造形する際に、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量を、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３とする。シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量が１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３以上であることにより、製造の途中で金属造形物に空孔等が形成されにくくなる。シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量が１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３以下であることにより、第１の金属層Ｘ_１の造形の際に、溶け込み深さを大きくできる、すなわち金属粉体の溶融度を高くすることができるため、レーザーの走査速度を高く維持でき、金属造形物の製造時間が短縮される。
第１の金属層Ｘ_１を造形する際には、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量を例えば、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３で維持することが好ましく、造形条件によって、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３の範囲内でより高い値に維持してもよい。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスＧ_１はヘリウムを含むことが好ましい。シールドガスＧ_１がヘリウムを含むと、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量を前記の数値範囲に制御しやすくなる。
シールドガスＧ_１がヘリウムを含む場合、シールドガスＧ_１のヘリウムの含有量は、シールドガスＧ_１１００体積％に対し２０体積％以上が好ましく、５０体積％以上がより好ましく、９０体積％以上がさらに好ましい。シールドガスＧ_１が、シールドガスＧ_１１００体積％に対し２０体積％以上のヘリウムを含む場合、溶け込み深さを大きくできる、すなわち金属粉体の溶融度を高くすることができるため、製造時間をさらに短縮できる。ヘリウムの含有量の上限値は特に制限されないが、１００体積％以下が特に好ましい。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスＧ_１が酸素を含んでもよい。ただし、シールドガスＧ_１が酸素を含む場合であっても、シールドガスＧ_１の酸素の含有量は、シールドガスＧ_１１００体積％に対し５体積％以下が好ましく、理想的には０体積％（すなわち検出限界値未満）が好ましい。シールドガスＧ_１の酸素の含有量が５体積％以下であると、金属造形物の機械的強度が向上する。

シールドガスＧ_１がヘリウムとアルゴンとを含む場合、ヘリウムの含有量は２０〜１００体積％が好ましい。そして、アルゴンの含有量は、０〜８０体積％が好ましい。
シールドガスＧ_１がヘリウムと窒素とを含む場合、ヘリウムの含有量は２０〜１００体積％が好ましい。そして、窒素の含有量は、０〜８０体積％が好ましい。

第１の金属層Ｘ_１の造形が終わると、造形ステージ６が下方に移動する。次に、第１の金属層Ｘ_１の上側にさらに金属粉体が供給される。第１の金属層Ｘ_１の上側にさらに供給された金属粉体にレーザーが再度照射されることで、新たな金属層が任意の形状に造形されるとともに、すでに造形した金属層の上側に新たな金属層が積層される。このようにレーザーの照射と、造形ステージ６の下方への移動と、新たな粉体の供給と、金属層の積層とをこの順で何度も繰り返すことで、任意の形状の金属層が順次積層され、任意の形状の立体構造物として金属造形物を製造できる。

図２は、金属造形物の製造装置がｎ回目のレーザーの照射を行う際のチャンバー内の構成を説明するための模式図である。ただし、ｎは２以上の整数である。ｎ回目のレーザーの照射を行う際には、第１の金属層Ｘ_１の上側に、ｎ−１層の金属層が順次積層されている。そして、ベースプレート７からｎ−１層目の金属層の上側の金属粉体の周囲には、シールドガスＧ_ｎが供給されている。

本実施形態の金属造形物の製造方法の第１の態様では、第１の金属層Ｘ_１を造形した後、第１の金属層Ｘ_１の表面から金属層を順次積層する際に、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を、第１の金属層Ｘ_１を造形した際のシールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量の値と同じとする。
例えば金属造形物の製造工程において、初期から中期の製造段階では、相対的に金属層の積層回数が少なく、金属造形物の高さ方向のサイズが小さい場合がある。また、中期から後期の製造段階では、ある程度の積層回数を経ているため、金属造形物の高さ方向のサイズがある程度大きい場合がある。
シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量が小さい（例えば、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３程度）ほど、金属粉体の溶融度が高くなり、製造時間をさらに短縮できる。また、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量が大きい（例えば、１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３以上）ほど、製造の途中で金属造形物に空孔等が形成されにくくなる。
なお、製造の初期、中期、後期の各サイクル数及びこれらの合計のサイクル数は、金属造形物のサイズ、金属粉体の材質等の要因に応じて適宜選択可能であり、特に制限されない。

本実施形態の金属造形物の製造方法の第２の態様では、第１の金属層Ｘ_１を造形した後、第１の金属層Ｘ_１の表面から金属層を順次積層するにしたがって、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量の値から段階的に大きくする。
例えば金属造形物の製造工程において、初期から中期の製造段階では、相対的に金属層の積層回数が少なく、金属造形物の高さ方向のサイズが小さい場合がある。また、中期から後期の製造段階では、ある程度の積層回数を経ているため、金属造形物の高さ方向のサイズがある程度大きい場合がある。このような製造初期から中期を経由して後期までの各段階に合わせて、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を段階的に大きくすることが好ましい。シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量が１．００×１０^-4ｇ／ｃｍ^３程度であり、金属粉体の溶融度が高かった場合であったとしても、積層回数が増えるにつれて、金属粉体の溶融度を徐々に低くし、溶け込み深さを小さくすることで製造時間の短縮につながることがある。これによって、品質的には製造の途中で金属造形物に空孔等が形成されにくくなるほか、経済的なガス利用も可能となる。なお、製造の初期、中期、後期の各サイクル数及びこれらの合計のサイクル数は、金属造形物のサイズ、金属粉体の材質等の要因に応じて適宜選択可能であり、特に制限されない。

第２の態様において、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量の値から、１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３まで段階的に大きくする場合について説明する。この場合、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量の数値範囲の下限値は、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量である。上限値は、１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３である。
この場合、金属層Ｘ_１を造形した後、ｎ回目のレーザーの照射を行う際の、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量は、下式（１）で決定することが好ましい。これにより、段階的に適した溶融度が得られ、製造の途中で金属造形物に空孔等が形成されにくくなる。また、金属層Ｘ_１の造形の後もレーザーの走査速度を高く維持でき、造形時間が短縮される。さらに、経済的なガスの利用が可能となる。

（シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量）＝｛１−（ｎ／Ｎ）｝*（シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量）＋（ｎ／Ｎ）*（１．３×１０^−３） ・・・式（１）
ただし、式（１）中、Ｎは整数であり、金属造形物の製造が完了したときのレーザーの照射回数である。

本実施形態の金属造形物の製造方法の第３の態様では、第１の金属層Ｘ_１を造形した後、第１の金属層Ｘ_１の表面から金属層を順次積層するにしたがって、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量の値から適宜変更する。
例えば金属造形物の製造工程において、初期から中期の製造段階では、相対的に金属層の積層回数が少なく、金属造形物の高さ方向のサイズが小さい場合がある。また、中期から後期の製造段階では、ある程度の積層回数を経ているため、金属造形物の高さ方向のサイズがある程度大きい場合がある。このような製造初期から中期を経由して後期までの各段階に合わせて、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を適宜変更してもよい。
例えば、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量が１．００×１０^-4ｇ／ｃｍ^３程度であり、金属粉体の溶融度が高かった場合であったとしても、積層回数が増えるにつれて、金属粉体の溶融度を徐々に低くする又は高くして、最適な溶融度を得るために、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を選択してもよい。これによって、製造時間の短縮及び経済的なガスの利用をも考慮しつつ、金属造形物の品質のさらなる向上が可能となる。なお、製造の初期、中期、後期の各サイクル数及びこれらの合計のサイクル数は、金属造形物のサイズ、金属粉体の材質等の要因に応じて適宜選択可能であり、特に制限されない。

第３の態様において、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量の値から、１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３までの範囲で適宜変更する場合について説明する。この場合、例えば、レーザーが照射される金属粉体の溶融部近傍の温度及び湿度等をリファレンスとして使用することができる。リファレンスとそのリファレンスに適した溶融度（又は溶け込み深さ）が得られるシールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量との相関をあらかじめ調査し、参照テーブルを作成しておけば、制御装置で自動的にシールドガスＧ_ｎの組成を選択することができる。これにより、積層段階での適切な条件による溶融度が選択可能となる。よって、段階的な積層の操作で予期せぬ環境変化があったときでも、製造の途中で金属造形物に空孔等が形成されにくくなるとともに、金属層Ｘ_１の造形の後もレーザーの走査速度を高く維持でき、造形時間が短縮され、しかも経済的なガスの利用が可能となる。

例えば、上述のリファレンスとして温度を使用する場合、光学的センサー等で溶融部近傍の温度を測定し、測定温度に適した溶融度が得られるように、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を適宜変更することができる。
具体的には、第１の金属層Ｘ_１の表面から金属層を順次積層する過程においては、溶融部近傍の温度が相対的に高くなる場合が生じることが想定される。この場合、金属粉体の溶融度が相対的に低くなる（すなわち、溶け込み深さが小さくなる）ように、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３を上限値として高くするように変更してもよい。このようにして、レーザーの走査速度を高く維持し、造形時間を短縮しながら、経済的なガスの利用を実現してもよい。
なお、リファレンスとなる物性値については、一例として、溶融部近傍の温度、溶融部近傍の湿度を例示したが、これらの例示に限定されない。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、第１の金属層Ｘ_１の表面から金属層を順次積層するにしたがって、段階的にシールドガスＧ_ｎの質量を変更するが、この変更方法は、図示略の制御装置によって行うことができる。当該制御装置によってシールドガスＧ_ｎの混合組成を変更する、ガス種を変更するなどの操作により、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を前記の数値範囲に制御するように行う。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスＧ_ｎはヘリウムを含むことが好ましい。シールドガスＧ_ｎがヘリウムを含むと、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を前記の数値範囲に制御しやすくなる。
シールドガスＧ_ｎがヘリウムを含む場合、シールドガスＧ_ｎのヘリウムの含有量は、シールドガスＧ_ｎ１００体積％に対し２０体積％以上が好ましく、５０体積％以上がより好ましく、９０体積％以上がさらに好ましい。シールドガスＧ_ｎが、シールドガスＧ_ｎ１００体積％に対し２０体積％以上のヘリウムを含む場合、製造時間をさらに短縮できる。ヘリウムの含有量の上限値は特に制限されないが、１００体積％以下が特に好ましい。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスＧ_ｎが酸素を含んでもよい。ただし、シールドガスＧ_ｎが酸素を含む場合であっても、シールドガスＧ_ｎの酸素の含有量は、シールドガスＧ_ｎ１００体積％に対し５体積％以下が好ましく、理想的には０体積％（すなわち検出限界値未満）が好ましい。シールドガスＧ_ｎの酸素の含有量が５体積％以下であると、金属造形物の機械的強度が向上する。

シールドガスＧ_ｎが、ヘリウムと、アルゴンとを含む場合、ヘリウムの含有量は２０〜１００体積％が好ましく、５０〜１００体積％がより好ましく、９０〜１００体積％がさらに好ましい。そして、アルゴンの含有量は、０〜８０体積％が好ましく、０〜５０体積％がより好ましく、０〜１０体積％がさらに好ましい。

シールドガスＧ_ｎが、ヘリウムと、窒素とを含む場合、ヘリウムの含有量は２０〜１００体積％が好ましく、５０〜１００体積％がより好ましく、９０〜１００体積％がさらに好ましい。そして、窒素の含有量は、０〜８０体積％が好ましく、０〜５０体積％がより好ましく、０〜１０体積％がさらに好ましい。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、金属粉体の種類に合わせて、シールドガスＧ_１及びシールドガスＧ_ｎの組成を選択することが好ましい。
例えば、オーステナイト系ステンレス鋼及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属は水素脆性感受性が低い。金属粉体がオーステナイト組織の金属を含む場合、金属粉体は酸化しやすく、これにより耐食性等が劣化しやすい。そのため、金属粉体がオーステナイト系ステンレス鋼及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属を含む場合には、酸化防止の観点から、シールドガスＧ_ｎとして水素ガス等の還元性ガスを適用することが好ましい。

金属粉体が鉄を主成分とする合金を含む場合には、水素脆性防止の観点から、シールドガスＧ_１及びシールドガスＧ_ｎ中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。金属粉体がアルミ、チタン又は、これらを主成分とする合金を含む場合には、ブローホールの形成を防止する観点から、シールドガスＧ_１及びシールドガスＧ_ｎ中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、レーザーの出力値は特に制限されないが、例えば１００〜１５００Ｗとすることができる。レーザーの出力値が１００Ｗ以上であると、金属層の層間結合強度がさらに優れる。レーザーの出力値が１５００Ｗ以下であると、金属造形物の機械的強度が優れる。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、レーザーの走査速度は６００〜３，０００ｍｍ／ｓが好ましく、８００〜２５００ｍｍ／ｓがより好ましく、１，０００〜２，０００ｍｍ／ｓがさらに好ましい。本実施形態の金属造形物の製造方法では、レーザーの走査速度が６００ｍｍ／ｓ以上であっても、金属層の層間結合強度を維持でき、金属造形物の製造時間をさらに短縮できる。本実施形態の金属造形物の製造方法では、レーザーの走査速度が３，０００ｍｍ／ｓ以下であると、金属層の層間結合強度がさらに優れる。

本実施形態の金属造形物の製造方法では、レーザーの走査幅は、０．０１〜０．２０ｍｍが好ましく、０．０３〜０．１８ｍｍがより好ましく、０．０５〜０．１５ｍｍがさらに好ましい。レーザーの走査幅が０．０１ｍｍ以上であると、金属造形物の製造時間をさらに短縮できる。レーザーの走査幅が０．２０ｍｍ以下であると、製造の途中で金属造形物に空孔等が形成されにくくなる。
チャンバー３内のゲージ圧力は特に限定されない。ゲージ圧力としては、例えば、０〜０．１ＭＰａとすることができる。

（作用効果）
以上説明した本実施形態に係る金属造形物の製造方法にあっては、ベースプレート７と接する第１の金属層Ｘ_１を造形する際に、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量を、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３とするため、金属粉体の溶融プールの表面へのレーザーの溶け込みの深さが深くなる。そのため、レーザーの出力値が１００〜３００Ｗ程度であり、相対的に低いエネルギーのレーザーを用いる場合に、レーザーの走査速度を６００〜１，６００ｍｍ／ｓ程度まで速くしても、金属層の層間結合強度を維持できる。以上より、本実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、製造装置の大掛かりな改造を必要とせずに、簡便な方法で製造時間を短縮できる。

金属粉体の溶融プールの表面へのレーザーの溶け込みの深さが深くなる理由は必ずしも明確ではないが、例えば、以下のように考えられる。
金属造形物の製造装置２０では、ベースプレート７の表面にある金属粉体がベースプレート７より先に溶融し、金属粉体の溶融プールがベースプレート７上に形成されると考えられる。これは、金属粉体に伝わった熱エネルギーがベースプレート７に拡散する前に、金属粉体が溶融点に達しやすいためである。
ベースプレート７については、伝わった熱エネルギーがベースプレート７全体に拡散するため温度が上昇しにくく、ベースプレート７の溶融は起きにくい。よって、ベースプレート７の表面に溶融プールが存在すると、溶融プールにくぼみが生じレーザー光が集中しやすくなる。このとき、レーザー光の集中によって、キーホールと呼ばれる深い溶け込みが形成されると考えられる。
本実施形態の金属造形物の製造方法では、ベースプレート７と接する第１の金属層Ｘ_１を造形する際に、シールドガスＧ_１の単位体積あたりの質量を、１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３以下に維持するため、キーホールの断面積が小さくなっていると考えられる。その結果、レーザー光がキーホールに集中しやすくなり、狭く深いキーホールが形成され、溶融プールの表面へのレーザーの溶け込みの深さが深くなると考えられる。

以上説明したように、本実施形態に係る金属造形物の製造方法にあっては、溶融プールの表面へのレーザーの溶け込みの深さが深くなる。そのため、レーザーの出力値が１００〜３００Ｗ程度であり、相対的に低いエネルギーのレーザーを用いる場合に、レーザーの走査速度を６００〜１，６００ｍｍ／ｓ程度まで速くしても、金属層の層間結合強度を維持できる。その結果、本実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、製造装置の大掛かりな改造を必要とせずに、簡便な方法で製造時間を短縮できる。

また、本実施形態に係る金属造形物の製造方法では、シールドガスＧ_ｎの組成を変更することで、シールドガスＧ_ｎの単位体積あたりの質量を変更でき、溶融プールの表面へのレーザーの溶け込みの深さを制御可能である。そのため、本実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、金属造形物の製造時間の短縮と空孔等の形成の防止とを両立できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換及びその他の変更が加えられてよい。

例えば、以上説明した本実施形態では、金属造形物の製造装置は、ベースプレートの上側に敷き詰められている金属粉体にレーザーを照射する形態であるが、他の実施形態では、金属造形物の製造装置は、レーザーの照射位置に金蔵粉体を吹き付けながら供給する形態でもよい。

＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。

（測定方法）
「平均溶け込み深さ［μｍ］」は、後述の正方形の金属溶融物をベースプレート７から切り離さずに、ベースプレート７とともにベースプレート７に対して垂直な方向に切断した。切断した金属溶融物を樹脂に埋め、砥石等による研磨を行った後、金属溶融物とベースプレート７の断面を観察することで溶け込み深さを測定した。以上のようにして溶け込み深さを３回測定し、３回分の平均値を平均溶け込み深さ［μｍ］とした。
「ゲージ圧力」は、ブルドン管圧力計を用いて２５℃の条件下で測定した。

（実施例１）
金属造形物の製造装置２０で金属造形物の製造を行った。レーザー発振機１として、ＳＰＩ Ｌａｓｅｒｓ社製のＲｅｄ Ｐｏｗｅｒを使用した。また、光学系２はガルバノミラーを用いて構成した。ベースプレート７は、純チタン製のものを使用した。金属粉体としてチタン合金Ｔｉ_６Ａｌ_４Ｖ（ＬＰＷ Ｔｈｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製、Φ１０〜４５μｍ）を使用した。また、レーザーの出力値を２００Ｗ、レーザーの走査幅を０．０５ｍｍ、レーザーの走査速度を８００ｍｍ／ｓとした。ベースプレート７上には、厚さ３０μｍの金属粉体の層を載置した。
実施例１ではシールドガスとして１００体積％のヘリウムガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー３内に供給し、ベースプレート７と接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの単位体積あたりの質量を、１．６０×１０^−４ｇ／ｃｍ^３に維持した。
以上の条件で、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。なお、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物は、金属層の一層分の金属造形物、すなわち第１の金属層に相当する。

（実施例２）
実施例２ではレーザーの走査速度を１，２００ｍｍ／ｓとした以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（実施例３）
実施例３ではレーザーの走査速度を１，６００ｍｍ／ｓとした以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（実施例４）
実施例４ではレーザーの走査速度を２，０００ｍｍ／ｓとした以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（実施例５）
実施例５ではレーザーの走査速度を２，５００ｍｍ／ｓとした以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１）
比較例１ではシールドガスとして、２０体積％のアルゴンガスと、８０体積％のヘリウムガスとの混合ガスを使用した以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。
比較例１では、ベースプレート７と接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの単位体積あたりの質量を、４．４８×１０^−４ｇ／ｃｍ^３に維持した。

（比較例２）
比較例２ではレーザーの走査速度を１，２００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例３）
比較例３ではレーザーの走査速度を１，６００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例４）
比較例４ではレーザーの走査速度を２，０００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例５）
比較例５ではレーザーの走査速度を２，５００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例６）
比較例６ではシールドガスとして、５０体積％のアルゴンガスと、５０体積％のヘリウムガスとの混合ガスを使用した以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。
比較例６では、ベースプレート７と接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの単位体積あたりの質量を、８．８０×１０^−４ｇ／ｃｍ^３に維持した。

（比較例７）
比較例７ではレーザーの走査速度を１，２００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例８）
比較例８ではレーザーの走査速度を１，６００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例９）
比較例９ではレーザーの走査速度を２，０００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１０）
比較例１０ではレーザーの走査速度を２，５００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１１）
比較例１１ではシールドガスとして、８０体積％のアルゴンガスと、２０体積％のヘリウムガスとの混合ガスを使用した以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。
比較例１１では、ベースプレート７と接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの単位体積あたりの質量を、１．３×１０^−４ｇ／ｃｍ^３に維持した。

（比較例１２）
比較例１２ではレーザーの走査速度を１，２００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１３）
比較例１３ではレーザーの走査速度を１，６００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１４）
比較例１４ではレーザーの走査速度を２，０００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１５）
比較例１５ではレーザーの走査速度を２，５００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１６）
比較例１６ではシールドガスとして、１００体積％のアルゴンガスを使用した以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。
比較例１６では、ベースプレート７と接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの単位体積あたりの質量を、１．６０×１０^−３ｇ／ｃｍ^３に維持した。

（比較例１７）
比較例１７ではレーザーの走査速度を１，２００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１８）
比較例１８ではレーザーの走査速度を１，６００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例１９）
比較例１９ではレーザーの走査速度を２，０００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（比較例２０）
比較例２０ではレーザーの走査速度を２，５００ｍｍ／ｓとした以外は、比較例１６と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。

（参考例１）
参考例１では、ベースプレート７上に金属粉体の層を載置しなかった以外は、実施例１と同様の条件下で、ベースプレート７にレーザーの照射を行った。

（参考例２）
参考例２では、ベースプレート７上に金属粉体の層を載置しなかった以外は、比較例１と同様の条件下で、ベースプレート７にレーザーの照射を行った。

（参考例３）
参考例３では、ベースプレート７上に金属粉体の層を載置しなかった以外は、比較例６と同様の条件下で、ベースプレート７にレーザーの照射を行った。

（参考例４）
参考例４では、ベースプレート７上に金属粉体の層を載置しなかった以外は、比較例１１と同様の条件下で、ベースプレート７にレーザーの照射を行った。

（参考例５）
参考例５では、ベースプレート７上に金属粉体の層を載置しなかった以外は、比較例１６と同様の条件下で、ベースプレート７にレーザーの照射を行った。

図３は、実施例１、比較例１、比較例６、比較例１１、比較例１６における平均溶け込み深さを比較して示すグラフである。
図３に示す結果から、レーザーの走査速度が８００ｍｍ／ｓである場合、シールドガスの単位体積あたりの質量が小さくなるにつれて、平均溶け込み深さが深いことが確認できる。
図４は、実施例１〜５、比較例１〜２０におけるレーザーの走査速度と平均溶け込み深さとの関係を示す図である。図４中、△は実施例１〜５の結果を示す。〇は比較例１〜５の結果を示す。□は比較例６〜１０の結果を示す。×は比較例１１〜１５の結果を示す。そして◆は比較例１６〜２０の結果を示す。
図４に示す結果から、レーザー走査速度が２，５００ｍｍ／ｓである場合でも、シールドガスの単位体積あたりの質量が１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３以下である実施例５、比較例５、比較例１０、比較例１５では、平均溶け込み深さが材料金属粉体の平均粒子径２７．５μｍを上回るため、シールドガスとして有用であることが確認できる。

表１は、実施例１、比較例１、比較例６、比較例１１、比較例１６、参考例１〜５の平均溶け込み深さを示す。なお、参考例１〜５ではベースプレート７の溶融は起きなかった。そのため、キーホールと呼ばれる深い溶け込みが形成されなかったものと考えられた。
表１に示す結果から、参考例１〜５では、シールドガスの単位体積あたりの質量に関わらず、溶け込みが形成されなかったことが確認できる。
これに対し、実施例１、比較例１、比較例６、比較例１１、比較例１６では、溶融プールの形成が確認され、キーホールの形成が示唆された。

ベースプレート７上に金属粉体の層の有無で、キーホールの形成に差異が生じた理由は、以下の様に考えられる。
金属粉体がベースプレート７上にない場合、金属粉体の溶融プールは形成されない。そのため、ベースプレート７上にキーホールが形成されるのは、ベースプレート７に対する熱伝導によって、ベースプレート７そのものが溶融する場合に限られる。しかし、金属造形物への蓄熱により機械的強度が低下する懸念があるため、実施例１〜５、比較例１〜２０、参考例１〜５ではレーザーの出力値が２００Ｗと比較的低く設定されている。レーザーの出力値が２００Ｗの条件では、レーザーのエネルギー密度が低いため、ベースプレート７は溶融せず、キーホールは形成されにくいと考えられる。
このように金属造形物の製造方法は、エネルギー線の熱エネルギーの上限値に制約があるため、キーホールは形成されにくいと考えられる。

以上実施例の結果から、ベースプレート７と接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの単位体積あたりの質量を、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３とすることで、平均溶け込み深さが深くなることが確認できた。
よって、レーザーの出力値が２００Ｗと相対的に低い場合において、レーザーの走査速度を８００〜２，５００ｍｍ／ｓ程度まで速くしても、金属層の層間結合強度を維持でき、製造時間を短縮できることが示唆された。

また、実施例１〜５、比較例１〜１５、参考例１〜４で用いるヘリウムガスは、熱伝導率が相対的に高い気体である。当初、本発明の発明者らは、熱伝導率が相対的に高くなる実施例１〜５、比較例１〜１５、参考例１〜４の条件下では、溶融プールの冷却効果も高くなりやすく、キーホールが形成されにくくなると予想していた。それにもかかわらず、ベースプレート７と接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの単位体積あたりの質量を、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３とすることで、平均溶け込み深さが深くなるという作用効果が得られることは全く意外であるといえる。

１…レーザー発振機、２…光学系、３…チャンバー、４…第１の供給源、５…第２の供給源、６…造形ステージ、７…ベースプレート、８…管路、２０…金属造形物の製造装置、Ｇ_１…１回目のレーザーを照射する際のシールドガス、Ｇ_ｎ…ｎ回目にレーザーを照射する際のシールドガス、Ｘ_１…第１の金属層

Claims (9)

1. ベースプレート上の金属粉体の周囲に供給されるシールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて前記金属粉体に熱を供給し、前記ベースプレート上で金属層を造形して、前記金属層を順次積層する金属造形物の製造方法であって、
   前記ベースプレートと接する第１の金属層を造形する際に、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、１．００×１０^−４ｇ／ｃｍ^３〜１．３×１０^−３ｇ／ｃｍ^３とする、金属造形物の製造方法。
2. 前記第１の金属層を造形する際に、シールドガスが、シールドガス１００体積％に対し２０体積％以上のヘリウムを含む、請求項１に記載の金属造形物の製造方法。
3. 前記第１の金属層を造形した後、前記第１の金属層の表面から前記金属層を順次積層する際に、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、前記第１の金属層を造形した際のシールドガスの単位体積あたりの質量の値と同じとする、請求項１又は２に記載の金属造形物の製造方法。
4. 前記第１の金属層を造形した後、前記第１の金属層の表面から前記金属層を順次積層するにしたがって、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、前記第１の金属層を造形した際のシールドガスの単位体積あたりの質量の値から段階的に大きくする、請求項１又は２に記載の金属造形物の製造方法。
5. 前記第１の金属層を造形した後、前記第１の金属層の表面から前記金属層を順次積層するにしたがって、シールドガスの温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける単位体積あたりの質量を、前記第１の金属層を造形した際のシールドガスの単位体積あたりの質量の値から適宜変更する、請求項１又は２に記載の金属造形物の製造方法。
6. 前記エネルギー線の出力値が１００〜１，５００Ｗである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属造形物の製造方法。
7. 前記エネルギー線の走査速度が６００〜３，０００ｍｍ／ｓである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属造形物の製造方法。
8. 前記エネルギー線の走査幅が０．０１〜０．２０ｍｍである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属造形物の製造方法。
9. 前記金属粉体に合わせて、シールドガスの組成を選択する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属造形物の製造方法。

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