WO2018154719A1 - 積層造形方法及び積層造形装置 - Google Patents

積層造形方法及び積層造形装置 Download PDF

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光聖 川原
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三菱重工コンプレッサ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an additive manufacturing method and an additive manufacturing apparatus.
  • the disk is fixed to a rotating shaft provided in the rotating machine.
  • a plurality of blades are provided on the surface of the disk at intervals in the circumferential direction.
  • the cover covers these blades from the opposite side of the disk.
  • the impeller is a flow path through which fluid flows between a disk, a cover, and blades adjacent to each other in the circumferential direction.
  • Patent Document 1 describes a method of forming an impeller by an additive manufacturing method.
  • metal powder arranged in accordance with a desired impeller shape is sintered by thermal energy such as laser or electron beam.
  • thermal energy such as laser or electron beam.
  • the impeller has a flow path having a complicated curved surface inside.
  • the metal is laminated from the bottom to the top, so that it may be difficult to form a complicated curved surface depending on the inclination angle.
  • the present invention provides an additive manufacturing method and additive manufacturing apparatus capable of improving the formability of a compact shaped article.
  • the additive manufacturing method includes a metal powder on a base portion provided on the outer side in the radial direction of the spindle while rotating a spindle provided rotatably around a central axis.
  • a molded body is formed by repeating a material supply step of supplying a molding material to form a powder layer and a beam irradiation step of irradiating a beam on a predetermined range of the powder layer to solidify the molding material.
  • a member such as a disk shape, an annular shape, or a cylindrical shape by sequentially performing additive manufacturing while rotating the spindle. Even if the molded body has a portion that extends greatly in the direction intersecting the central axis direction of the spindle, such as an impeller disk or cover, by performing additive manufacturing while rotating, these These portions can be laminated from the inner side to the outer side in the radial direction. As a result, it is possible to mold a molded body having a complicated shape inside which has been difficult to mold.
  • the material supply step may rotate the spindle at a rotation angle equal to or less than a beam width of the beam.
  • the ranges irradiated with the beams overlap each other.
  • the molding material supplied while rotating the spindle can be melted seamlessly to form a molded body.
  • a homogeneous molded object can be obtained.
  • the molding material in the first or second aspect, may be in the form of a slurry having a viscosity within a predetermined range.
  • the material supplying step is a part of the molded body formed in a cylindrical shape attached to the spindle.
  • the powder layer may be formed using the outer peripheral surface of the core member forming the base as the base portion.
  • the molding material can be favorably formed using the core member as a base material.
  • the additive manufacturing apparatus includes a spindle that is rotatably provided around a central axis, a spindle drive that rotates the spindle, and a base that is provided on the outer side in the radial direction of the spindle.
  • a material supply unit for supplying a molding material containing metal powder to form a powder layer, and beam irradiation for irradiating a beam for solidifying the molding material to a predetermined range of the powder layer formed by the material supply unit A section.
  • the molding material is supplied onto the base portion by the material supply unit while the spindle is rotated by the spindle driving unit.
  • the supplied molding material is solidified by irradiating the beam with the beam irradiation unit.
  • the metal layer which comprises a part of molded object is formed.
  • a metal body can be formed by laminating the metal layers sequentially formed in the circumferential direction on the outer side in the radial direction of the spindle from the inner side to the outer side in the radial direction.
  • a film thickness adjusting unit that adjusts the film thickness of the powder layer formed by the material supply unit may be further provided.
  • the film thickness of the molding material formed by one layered manufacturing can be increased or decreased.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the additive manufacturing apparatus shown in FIG. 3 along the central axis of the spindle. It is a block diagram which shows the structure of the function part of the additive manufacturing apparatus shown in FIG. 3, FIG. It is a flowchart which shows the flow of the additive manufacturing method in embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a view of an impeller manufactured by an additive manufacturing method according to an embodiment of the present invention, as viewed from the axial direction of the impeller.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the impeller shown in FIG. 1 as seen in a cross section along the axis of the impeller.
  • an impeller mounted on a rotary machine such as a centrifugal compressor is formed as a formed body.
  • the impeller manufactured in the present embodiment is mounted on a rotary machine such as a centrifugal compressor.
  • the impeller 1 includes a disk 2, a blade 3, and a cover 4.
  • the disk 2 has a substantially circular shape when viewed from the direction of the axis O along which the axis O extends.
  • the disk 2 is formed in a disk shape centered on the axis O. More specifically, the disk 2 is centered on the axis O as it goes from the end 2a on the first side (upper in FIG. 2) in the direction of the axis O to the end 2b on the second side (lower in FIG. 2).
  • the dimension in the radial direction Dr is formed so as to gradually expand.
  • the disk 2 includes a curved surface 23 that is curved so as to be recessed toward the second side (end portion 2b side) in the axis O direction as a surface facing the first side (end portion 2a side) in the axis O direction.
  • a shaft insertion hole 11 that penetrates in the direction of the axis O is provided in the center of the disk 2.
  • a rotating shaft (not shown) of the rotating machine is inserted into the shaft insertion hole 11 in the direction of the axis O.
  • the impeller 1 can be rotated integrally with the rotating shaft of the rotating machine.
  • the blade 3 is formed to rise from the curved surface 23 of the disk 2 to the first side in the axis O direction.
  • a plurality of blades 3 are formed on the curved surface 23 at intervals in the circumferential direction Dc with the axis O as the center.
  • Each blade 3 is formed to extend away from the disk 2 and to extend from the inner side (axial insertion hole 11 side) in the radial direction Dr of the disk 2 toward the outer side.
  • the cover 4 is provided with a space in the direction of the axis O with respect to the curved surface 23 of the disk 2.
  • the cover 4 is provided so as to cover the plurality of blades 3 from the first side in the axis O direction.
  • the cover 4 has a disk shape with the axis O as the center. Specifically, the cover 4 has an umbrella shape that gradually decreases in diameter from the second side in the axis O direction toward the first side.
  • the inner peripheral end 41 of the cover 4 is disposed with a gap in the radial direction Dr between the end 2 a of the disk 2. Thereby, between the inner peripheral edge part 41 of the cover 4 and the edge part 2a of the disk 2, it opens toward the 1st side of the axis line O direction.
  • the cover 4 is disposed with an interval in the direction of the axis O between the end 2 b of the disk 2. As a result, a gap between the outer peripheral end 42 of the cover 4 and the end 2b of the disk 2 opens toward the outside in the radial direction Dr.
  • the impeller 1 has a flow path 12 formed therein by a disk 2, a cover 4, and a blade 3.
  • the flow path 12 is defined by the blades 3 adjacent to each other in the circumferential direction Dc between the disk 2 and the cover 4.
  • the impeller 1 has a plurality of flow paths 12 in the circumferential direction Dc.
  • Each flow path 12 has a flow path inlet 12 a that opens toward the first side in the direction of the axis O between the end 2 a of the disk 2 and the inner peripheral end 41 of the cover 4.
  • Each flow path 12 has a flow path outlet 12b that opens toward the outside in the radial direction Dr between the end 2b of the disk 2 and the outer peripheral end 42 of the cover 4.
  • the inner peripheral surface of the flow path 12 is a curved surface 23 of the disk 2, a surface facing the second side (opposite side of the first side) of the cover 4 in the axis O direction, and a surface facing the circumferential direction of the blade 3. It is configured.
  • the space between the disk 2 and the cover 4 is formed so as to gradually become narrower from the inner side to the outer side in the radial direction Dr. Further, the interval in the circumferential direction Dc between the blades 3 adjacent to each other in the circumferential direction Dc is formed so as to gradually increase from the flow path inlet 12a toward the flow path outlet 12b.
  • Each channel 12 is formed such that the channel cross-sectional area gradually decreases from the channel inlet 12a toward the channel outlet 12b.
  • FIG. 3 is a front view of the additive manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention as viewed from the central axis direction of the spindle.
  • 4 is a cross-sectional view of the additive manufacturing apparatus shown in FIG. 3 along the central axis of the spindle.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a functional unit of the additive manufacturing apparatus illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • the additive manufacturing apparatus 100 shown in FIGS. 3 to 5 forms the impeller 1 as described above by additive manufacturing.
  • This layered manufacturing apparatus 100 forms the impeller 1 formed symmetrically about the axis O by laminating the metal layer 202 extending in the circumferential direction Dc from the inner side to the outer side in the radial direction Dr.
  • the additive manufacturing apparatus 100 includes a spindle device 110, a material supply unit 120, a film thickness adjustment unit 130, a beam irradiation unit 140, a brush device 150, and a control unit 160.
  • the spindle device 110 includes a spindle driving unit 111 (see FIG. 5) and a spindle 112.
  • the spindle 112 is rotatably provided around its central axis Ac (circumferential direction Dc).
  • the spindle 112 of the present embodiment has a cylindrical shape extending in the horizontal direction Dh.
  • the spindle 112 is rotationally driven around the central axis Ac by a spindle driving unit 111 (see FIG. 5) such as a motor.
  • a core member 203 is provided as a base portion outside the radial direction Dr of the spindle 112.
  • the spindle 112 of this embodiment is arrange
  • the spindle 112 may be arranged such that the central axis Ac is inclined with respect to the vertical direction Dv.
  • the spindle driving unit 111 rotates the spindle 112 around the central axis Ac.
  • conditions for rotating the spindle 112 such as a rotation speed and a rotation angle are controlled by the control unit 160.
  • the core member 203 has a cylindrical shape.
  • the core member 203 is fixed so as not to move around the central axis Ac and in the central axis Ac direction (width direction Dw) with respect to the spindle 112 by shrink fitting or the like, for example, by inserting the spindle 112 therein.
  • the core member 203 forms a part of the impeller 1 to be formed.
  • the core member 203 of this embodiment may be formed of the same material as the impeller 1.
  • the core member 203 is not limited to being formed of the same material as the impeller 1.
  • the core member 203 may be formed of a material with good shrink fit different from the base material.
  • the material supply unit 120 forms the powder layer 201 by supplying the molding material 200 containing metal powder onto the core member (base portion) 203 provided outside the radial direction Dr of the spindle 112.
  • the material supply unit 120 supplies the molding material 200 so as to form the powder layer 201 on the core member 203 in the tangential direction of the outer peripheral surface of the spindle 112.
  • the material supply unit 120 of the present embodiment includes a storage tank 121 and a tank moving mechanism 122 (see FIG. 5).
  • the storage tank 121 stores the molding material 200 containing metal powder used in the additive manufacturing method.
  • the molding material 200 a slurry (paste) having a viscosity within a predetermined range determined by dispersing metal powder in a dispersion medium is used.
  • the viscosity within the predetermined range is a viscosity that prevents the molding material 200 before being solidified from dropping from the rotating core member 203 downward in the vertical direction Dv.
  • the storage tank 121 has an opening 123 on the side close to the spindle 112.
  • the storage tank 121 is provided so as to be movable relative to the spindle 112 in the horizontal direction Dh.
  • the tank moving mechanism 122 moves the storage tank 121 with respect to the spindle 112.
  • the tank moving mechanism 122 moves the position of the storage tank 121 in the horizontal direction Dh.
  • the tank moving mechanism 122 adjusts the position of the storage tank 121 so that the opening 123 is pressed outside the radial direction Dr of the spindle 112 against the material supply site P1 to which the molding material 200 is to be supplied.
  • the material supply unit 120 supplies the molding material 200 stored in the storage tank 121 to the material supply part P1 outside the radial direction Dr of the spindle 112 through the opening 123.
  • the material supply part 120 of this embodiment is set as the structure which supplies the molding material 200 directly with respect to the material supply site
  • the material supply part 120 is like this. It is not limited to a simple structure. For example, a part for supplying another molding material 200 such as a brush or a nozzle connected to the storage tank 121 is provided, and the molding material 200 is indirectly supplied from the storage tank 121 to the material supply site P1. It is good also as a structure.
  • the film thickness adjustment unit 130 adjusts the film thickness of the powder layer 201 formed by the material supply unit 120.
  • the film thickness adjusting unit 130 of the present embodiment includes an adjusting blade 131 and a blade moving mechanism 132 (see FIG. 5).
  • the adjusting blade 131 is arranged on the downstream side in the rotation direction R of the spindle 112 with respect to the opening 123 of the storage tank 121 of the material supply unit 120.
  • the adjustment blade 131 has a plate shape.
  • the lower end 131a of the adjustment blade 131 corresponds to the molding material 200 supplied to the material supply site P1.
  • the adjustment blade 131 is provided so as to be movable relative to the spindle 112 in the vertical direction Dv.
  • the blade moving mechanism 132 moves the adjusting blade 131 in the vertical direction Dv.
  • the blade moving mechanism 132 can change the film thickness of the powder layer 201 by moving the position of the lower end 131 a of the adjustment blade 131 with respect to the outer peripheral surface of the core member 203.
  • the film thickness adjusting unit 130 adjusts the position of the adjusting blade 131 by the blade moving mechanism 132 when the molding material 200 supplied to the material supply site P1 rotates integrally with the spindle 112.
  • the surface of the powder layer 201 hits the lower end 131a of the adjustment blade 131 whose position has been adjusted, the surface of the powder layer 201 is smoothed and the film thickness of the powder layer 201 is adjusted.
  • the beam irradiation unit 140 irradiates the beam B that solidifies the molding material 200 in a predetermined range of the powder layer 201 formed by the material supply unit 120.
  • the beam irradiation unit 140 of this embodiment includes a beam nozzle 141, a beam moving mechanism 143 (see FIG. 5), and a focal position adjustment unit 144 (see FIG. 5).
  • the beam nozzle 141 is disposed downstream of the adjustment blade 131 in the rotation direction R of the spindle 112. In this embodiment, the beam nozzle 141 is disposed above the central axis Ac of the spindle 112 in the vertical direction Dv.
  • the beam nozzle 141 irradiates the molding material 200 with a beam B such as a laser or an electron beam supplied from a beam source (not shown) at an irradiation site P2 below the vertical direction Dv.
  • the beam moving mechanism 143 moves the beam nozzle 141 in the width direction Dw along the center axis Ac of the spindle 112 as shown in FIG. In addition, the beam moving mechanism 143 moves the beam nozzle 141 in the vertical direction Dv and moves it relative to the outer peripheral surface of the spindle 112.
  • the focal position adjusting unit 144 adjusts the focal position of the beam B irradiated to the molding material 200 from the beam nozzle 141.
  • the beam irradiation unit 140 irradiates the beam B from the beam nozzle 141 whose position in the vertical direction Dv is adjusted by the beam moving mechanism 143.
  • the beam irradiation unit 140 irradiates the powder layer 201 with the beam B at the irradiation site P2 located at the top in the circumferential direction Dc of the spindle 112.
  • the molding material 200 is sintered and solidified when irradiated with the beam B.
  • the beam irradiation unit 140 irradiates the molding material 200 with the beam B only at a portion where the impeller 1 is to be formed, while the beam moving mechanism 143 moves the beam nozzle 141 along the width direction Dw. After irradiation with the beam B, the molding material 200 is solidified to form the metal layer 202.
  • the brush device 150 is provided downstream of the beam nozzle 141 in the rotation direction R of the spindle 112 and upstream of the storage tank 121 in the rotation direction R of the spindle 112.
  • the brush device 150 removes the solidified portion so as to protrude from the surface of the metal layer 202.
  • the brush device 150 according to the present embodiment includes a brush moving mechanism 151 and a brush main body 152.
  • the tip of the brush body 152 is in contact with the surface of the metal layer 202 outside the spindle 112 in the radial direction Dr.
  • the brush moving mechanism 151 moves the brush device 150 relative to the spindle 112 in the horizontal direction Dh.
  • the brush moving mechanism 151 adjusts the position of the brush device 150 so that the tip of the brush device 150 is pressed against the metal layer 202.
  • the control unit 160 sets operations of the spindle driving unit 111, the tank moving mechanism 122, the blade moving mechanism 132, the beam moving mechanism 143, the focal position adjusting unit 144, and the brush moving mechanism 151 in advance. Control based on computer program. For example, the control unit 160 sends an instruction to the spindle driving unit 111 to rotate the spindle 112 according to the irradiation state of the beam B. The control unit 160 sends an instruction to the tank moving mechanism 122 to move the storage tank 121 according to the rotation state of the spindle 112. The control unit 160 sends an instruction to the blade moving mechanism 132 to move the adjustment blade 131 according to the rotation state of the spindle 112.
  • the control unit 160 sends an instruction to the beam moving mechanism 143 to move the beam nozzle 141 according to the rotation state of the spindle 112.
  • the control unit 160 sends an instruction to the focal position adjustment unit 144 to adjust the focal position of the beam nozzle 141 according to the rotation state of the spindle 112.
  • the control unit 160 sends an instruction to the brush moving mechanism 151 to move the brush body 152 in accordance with the rotation state of the spindle 112.
  • the additive manufacturing method for the impeller 1 shown below is automatically executed in the additive manufacturing apparatus 100 when the control unit 160 performs control based on a preset computer program.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the additive manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
  • the layered manufacturing method for the impeller 1 in the present embodiment includes a core member setting step S ⁇ b> 1, a material supply step S ⁇ b> 2, and a beam irradiation step S ⁇ b> 3.
  • the core member 203 that forms part of the impeller 1 is mounted on the spindle 112.
  • the core member 203 is prepared in advance.
  • the prepared core member 203 is fixed in a state where the inner peripheral surface is in contact with the outer peripheral surface of the spindle 112. Thereby, the outer peripheral surface of the core member 203 is used as a base part.
  • the powder layer 201 is formed on the base portion while rotating the spindle 112.
  • the powder layer 201 is formed in the core member setting step S1 with the outer peripheral surface of the core member 203 attached to the spindle 112 as a base portion.
  • the molding material 200 is supplied from the material supply unit 120 above the center of the core member 203 mounted on the spindle 112 in the vertical direction Dv.
  • the opening 123 of the storage tank 121 is pressed against the material supply site P1 while rotating the spindle 112 in the rotation direction R by a predetermined angle.
  • the molding material 200 stored in the storage tank 121 is pressed and attached to the material supply site P1 through the opening 123.
  • the powder layer 201 is formed on the outer peripheral surface of the core member 203.
  • the molding material 200 is supplied in a strip shape continuously in the rotational direction R of the spindle 112, that is, in the circumferential direction Dc, with the same width as the opening dimension in the width direction Dw of the opening 123 at the material supply site P1.
  • the molding material 200 is in the form of a slurry having a predetermined viscosity. Therefore, it is suppressed that the molding material 200 supplied at the material supply site P1 flows downward in the vertical direction Dv.
  • the supplied molding material 200 moves to the downstream side in the rotational direction R as the spindle 112 rotates.
  • the surface of the powder layer 201 is leveled by the adjusting blade 131 of the film thickness adjusting unit 130 and formed to have a predetermined film thickness.
  • the beam irradiation step S3 a predetermined range of the powder layer 201 is irradiated with a beam to solidify the molding material 200.
  • the beam irradiation step S3 of the present embodiment is performed on the powder layer 201 whose film thickness is adjusted by the film thickness adjusting unit 130 and reaches the irradiation site P2 by the rotation of the spindle 112.
  • the beam B is irradiated from the beam nozzle 141 of the beam irradiation unit 140.
  • the beam irradiation unit 140 is moved by the beam moving mechanism 143 in the width direction Dw along the center axis Ac of the spindle 112 in accordance with the cross-sectional shape of the impeller 1 to be formed. Then, the beam is irradiated from the beam nozzle 141 only at the position where each part of the impeller 1 is to be formed. That is, the beam irradiation unit 140 stops beam irradiation at a portion where the impeller 1 is not formed. Thereby, only in the site
  • the rotation of the spindle 112 is stopped. That is, the spindle 112 rotates during the material supply in the material supply step S2, and stops while the beam B is irradiated in the beam irradiation step S3. That is, the spindle 112 rotates intermittently.
  • the control unit 160 determines whether or not the shaping of the impeller 1 has been completed and checks (determination step S4). If molding of the impeller 1 has not been completed, the process returns to the material supply step S2. That is, the material supply step S2 and the beam irradiation step S3 are repeated until the impeller molding is completed.
  • the metal layer 202 extends in the circumferential direction Dc outside the radial direction Dr of the core member 203. Then, the metal layer 202 is. It is repeated over a plurality of circumferences toward the outside in the radial direction Dr of the core member 203. As a result, the metal layer 202 is sequentially laminated on the outer peripheral surface of the core member 203 from the inner side to the outer side in the radial direction Dr. Thus, the impeller 1 is formed by the metal layer 202 sequentially formed in the circumferential direction Dc.
  • the rotation angle at which the spindle 112 is rotated while supplying the molding material 200 in the material supply step S2 is a rotation angle that is equal to or less than the beam width of the beam B irradiated in the beam irradiation step S3.
  • the supplied molding material 200 can be melted seamlessly to form the metal layer 202.
  • the material supply step S2 and the beam irradiation step S3 are repeated, whereby the metal layer 202 is laminated from the inner side to the outer side in the radial direction Dr.
  • the outer diameter of the impeller 1 in the middle of forming is sequentially increased.
  • the positions of the material supply site P1 and the irradiation site P2 also move to the outside in the radial direction Dr. Therefore, the storage tank 121 is moved outside the radial direction Dr by the tank moving mechanism 122 under the control of the control unit 160.
  • the adjustment blade 131, the beam nozzle 141, and the brush body 152 are moved outward in the radial direction Dr by the blade moving mechanism 132, the beam moving mechanism 143, and the brush moving mechanism 151, respectively. To go.
  • the position of the adjusting blade 131 can be adjusted by the blade moving mechanism 132 in the film thickness adjusting unit 130.
  • the control unit 160 determines the focal position of the beam B irradiated from the beam nozzle 141 according to the position of the adjustment blade 131 adjusted by the blade moving mechanism 132 (estimated value of the film thickness of the molding material 200). Adjustment is performed by the adjustment unit 144.
  • the additive manufacturing apparatus 100 ends a series of additive manufacturing operations. Thereafter, the entire core member 203 is removed from the spindle 112, and heat treatment, surface polishing treatment, and the like are performed as necessary to complete the impeller 1.
  • the disk 2, the blade 3, and the cover 4 constituting the impeller 1 are metal layers from the inner side to the outer side in the radial direction Dr. It is formed by sequentially stacking 202.
  • the disk 2 and the cover 4 that extend in the direction intersecting the direction of the central axis Ac of the spindle 112 can be stacked from below to above.
  • the impeller 1 having a complicated shape inside, which has been difficult to form in the past.
  • the impeller 1 has a small gap between the disk 2 and the cover 4 and a narrow flow path 12, it can be molded by layered modeling from the inside in the radial direction Dr to the outside in the radial direction Dr. It becomes.
  • the impeller 1 formed by layered modeling while rotating the spindle 112 has high uniformity in the circumferential direction. Accordingly, the crystal growth direction of the metal forming the impeller 1 is a direction extending from the central axis Ac of the impeller 1 to the outside of the radial direction Dr. Thereby, the anisotropy of the strength of the impeller 1 with respect to the centrifugal direction can be reduced.
  • the impeller 1 having a complicated shape can be formed, and the impeller 1 having a uniform strength distribution in the circumferential direction can be formed.
  • the position for forming a support for supporting the disk 2 and the cover 4 in the flow path 12 at the time of additive manufacturing can be reduced. Therefore, the shaping
  • the spindle 112 is intermittently rotated at a rotation angle equal to or smaller than the beam width of the beam B.
  • the impeller 1 can be formed by melting the molding material 200 supplied while rotating the spindle 112 without a joint. Thereby, the homogeneous impeller 1 can be obtained.
  • the molding material 200 is in the form of a slurry having a viscosity within a predetermined range. Thereby, it can suppress that the molding material 200 supplied to the upper side of the spindle 112 flows below. Therefore, the layered modeling can be performed with high accuracy while rotating.
  • the impeller 1 can be efficiently formed using the core member 203 as a base material.
  • the layered manufacturing apparatus 100 described above includes the film thickness adjusting unit 130, the film thickness of the metal layer 202 formed by one layered modeling can be increased or decreased. Furthermore, the focal position of the beam B can be adjusted by the focal position adjusting unit 144 according to the film thickness of the molding material 200 adjusted by the film thickness adjusting unit 130. Thereby, even if it is a case where a film thickness is increased / decreased, the molding material 200 can be fuse
  • the cylindrical core member 203 is provided on the spindle 112, but the configuration of the core member 203 is not limited at all.
  • a solid and columnar core member may be formed integrally with the spindle 112, and layered modeling may be performed on the outer peripheral surface of the core member.
  • the outer peripheral surface of the spindle 112 is substantially the base portion.
  • Such a solid columnar core member can be used as the rotating shaft of the impeller 1, for example. That is, the impeller 1 and the rotating shaft can be integrally formed by additive manufacturing.
  • the irradiation direction of the beam B irradiated from the beam nozzle 141 is not limited to the direction centering on the central axis Ac of the spindle 112.
  • the beam B may be irradiated from the inclined direction to the surface of the molding material 200 at the irradiation site P2. good.
  • the central axis Ac of the spindle 112 may be inclined with respect to the horizontal direction Dh. In that case, it is preferable that the core member 203 is securely locked to the spindle 112 in order to suppress the displacement of the core member 203.
  • the additive manufacturing method and additive manufacturing apparatus 100 shown in the above embodiment can be applied not only to the impeller 1 but also to forming an axially symmetric member such as another rotating body. Therefore, the additive manufacturing method and additive manufacturing apparatus 100 shown in the above embodiment can be applied not only to a rotating body but also to forming various members such as an annular shape, a cylindrical shape, and a disk shape.
  • the additive manufacturing apparatus 100 of the present embodiment is configured to fix the position of the spindle 112 and move the storage tank 121, the adjustment blade 131, the beam nozzle 141, and the brush body 152 according to the rotation state of the spindle 112.
  • the positions of the storage tank 121 and the adjustment blade 131 may be fixed, and the position of the spindle 112 may be variable.
  • the spindle 112 is movable in the normal direction of the line segment connecting the contact points with the storage tank 121 and the adjustment blade 131.
  • the beam nozzle 141 and the brush main body 152 should just be movable according to lamination

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Abstract

この積層造形方法は、中心軸（Ａｃ）回りに回転可能に設けられたスピンドル（１１０）を回転させながら、スピンドル（１１０）の径方向（Ｄｒ）の外側に設けられたベース部上に、金属粉末を含む成形材料を供給して粉末層（２０１）を形成する材料供給工程と、粉末層（２０１）の所定の範囲にビームを照射して前記成形材料を固化させるビーム照射工程と、を繰り返すことで成形体を形成する。

Description

積層造形方法及び積層造形装置
　この発明は、積層造形方法及び積層造形装置に関する。
　例えば遠心圧縮機等の回転機械に用いられるインペラは、ディスクと、ブレードと、カバーとを備えている。ディスクは、回転機械に設けられる回転軸に固定される。ブレードは、ディスクの表面に、周方向に間隔を空けて複数が設けられる。カバーは、これらのブレードを、ディスクと反対側から覆っている。インペラは、ディスク、カバー、及び周方向で互いに隣り合うブレード同士の間が、流体が流通する流路とされている。
　例えば、特許文献１には、積層造形法によりインペラを形成する方法が記載されている。積層造形法は、所望のインペラの形状に合わせて配置した金属粉末を、レーザまたは電子ビーム等の熱エネルギーにより焼結させる。金属粉末の配置及び焼結といった工程を順次繰り返すことで、焼結された金属粉末が積層され、所望の形状のインペラが形成される。
特開２０１６－３７９０１号公報
　インペラは、内部に複雑な曲面を有する流路が形成されている。積層造形法においては金属を下方から上方に積層していくために、傾斜角度によっては複雑な曲面を形成することが難しい場合がある。これに対し、積層造形法で複雑な曲面を形成するために、積層造形時にインペラの姿勢を傾斜させることが考えられる。しかしながら、特定部分を成形できるようにインペラの姿勢を設定した結果、他の部分の成形が困難となる場合がある。このように、インペラのように内部に複雑な形状を有した成形体を積層造形で成形する際の成形性を向上させたいという要望がある。
　本発明は、複雑な形状の成形体の成形性を向上させることが可能な積層造形方法及び積層造形装置を提供する。
　本発明の第一の態様に係る積層造形方法は、中心軸回りに回転可能に設けられたスピンドルを回転させながら、前記スピンドルの径方向の外側に設けられたベース部上に、金属粉末を含む成形材料を供給して粉末層を形成する材料供給工程と、前記粉末層の所定の範囲にビームを照射して前記成形材料を固化させるビーム照射工程と、を繰り返すことで成形体を形成する。
　このような構成によれば、スピンドルを回転させながら積層造形を順次行っていくことで、ディスク状、環状、筒状といった部材を形成することができる。成形体が、インペラのディスクやカバーのように、スピンドルの中心軸方向に交差する方向に大きく延びる部分を内部に有している場合であっても、回転させながら積層造形を行うことで、これらの部分を径方向の内側から外側に向かって積層形成することができる。これにより、従来は成形が困難であった内部に複雑な形状を有している成形体の成形が可能となる。
　本発明の第二の態様に係る積層造形方法は、第一の態様において、前記材料供給工程は、前記ビームのビーム幅以下の回転角度で前記スピンドルを回転させるようにしてもよい。
　このような構成によれば、成形材料を溶融するビームを照射する工程を繰り返したときに、ビームを照射する範囲が互いに重なる。これにより、スピンドルを回転させながら供給した成形材料を、つなぎ目無く溶融させて成形体を形成することができる。これにより、均質な成形体を得ることができる。
　本発明の第三の態様に係る積層造形方法では、第一または第二の態様において、前記成形材料は、予め定めた範囲内の粘度を有するスラリー状をなしていてもよい。
　このような構成によれば、スピンドルが回転した際に、ベース部に供給された成形材料が鉛直方向の下方に流れてしまうことを抑制できる。
　本発明の第四の態様に係る積層造形方法では、第一から第三の態様のいずれかひとつにおいて、前記材料供給工程は、前記スピンドルに装着された筒状をなして前記成形体の一部を形成するコア部材の外周面を前記ベース部として前記粉末層を形成してもよい。
　このような構成によれば、スピンドルに装着したコア部材に成形材料を形成することで、このコア部材を基材として成形材料を良好に形成することができる。
　本発明の第五の態様に係る積層造形装置は、中心軸回りに回転可能に設けられたスピンドルと、前記スピンドルを回転させるスピンドル駆動部と、前記スピンドルの径方向の外側に設けられたベース部上に金属粉末を含む成形材料を供給して粉末層を形成する材料供給部と、前記材料供給部によって形成された前記粉末層の所定の範囲に前記成形材料を固化させるビームを照射するビーム照射部と、を備える。
　このような構成によれば、スピンドル駆動部でスピンドルを回転させながら、材料供給部によりベース部上に成形材料を供給する。ビーム照射部によってビームを照射することで、供給された成形材料は固化される。これにより、成形体の一部を構成する金属層が形成される。このようにして、スピンドルの径方向の外側に、周方向に順次形成する金属層を、径方向の内側から外側に向かって積層していくことで、成形体を形成することができる。
　本発明の第六の態様に係る積層造形装置では、第五の態様において、前記材料供給部で形成する前記粉末層の膜厚を調整する膜厚調整部をさらに備えるようにしてもよい。
　このような構成によれば、１回の積層造形で形成される成形材料の膜厚を増減させることができる。
　本発明によれば、複雑な形状の成形体の成形性を向上させることができる。
この発明の実施形態における積層造形方法で製作するインペラを、インペラの軸線方向から見た図である。 図１に示したインペラを、インペラの軸線に沿った断面で見た断面図である。 この発明の実施形態における積層造形装置を、スピンドルの中心軸方向からみた正面図である。 図３に示した積層造形装置の、スピンドルの中心軸に沿った断面図である。 図３、図４に示した積層造形装置の機能部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施形態における積層造形方法の流れを示すフローチャートである。
　以下、図面を参照して、本発明の積層造形方法及び積層造形装置を説明する。図１は、この発明の実施形態における積層造形方法で製作するインペラを、インペラの軸線方向から見た図である。図２は、図１に示したインペラを、インペラの軸線に沿った断面で見た断面図である。
　本実施形態における積層造形方法及び積層造形装置では、成形体として、例えば、遠心圧縮機等の回転機械に搭載されるインペラを成形する。本実施形態において製造されるインペラは、例えば、遠心圧縮機等の回転機械に搭載される。図１、図２に示すように、インペラ１は、ディスク２と、ブレード３と、カバー４とを有している。
　ディスク２は、軸線Ｏの延びる軸線Ｏ方向から見て略円形をなしている。ディスク２は、軸線Ｏを中心とした円盤状に形成されている。より具体的には、ディスク２は、軸線Ｏ方向の第一側（図２における上方）の端部２ａから第二側（図２における下方）の端部２ｂに向かうにつれて、軸線Ｏを中心とした径方向Ｄｒの寸法が次第に拡大するように形成されている。ディスク２は、軸線Ｏ方向の第一側（端部２ａ側）を向く面として、軸線Ｏ方向の第二側（端部２ｂ側）に向かって窪むように湾曲した湾曲面２３を備えている。
　また、ディスク２の中央には、軸線Ｏ方向に貫通する軸挿通孔１１が設けられている。この軸挿通孔１１には、回転機械の回転軸（図示無し）が軸線Ｏ方向に挿入される。これによって、インペラ１は、回転機械の回転軸と一体に回転可能とされている。
　ブレード３は、ディスク２の湾曲面２３から、軸線Ｏ方向の第一側に立ち上がるように形成される。ブレード３は、湾曲面２３に対して、軸線Ｏを中心とした周方向Ｄｃに間隔を空けて複数が形成されている。各ブレード３は、ディスク２から離間するように延びるとともに、ディスク２の径方向Ｄｒの内側（軸挿通孔１１側）から外側に向かって延びるよう形成される。
　カバー４は、ディスク２の湾曲面２３に対し、軸線Ｏ方向に間隔をあけて設けられている。カバー４は、複数のブレード３を、軸線Ｏ方向の第一側から覆うように設けられている。カバー４は、軸線Ｏを中心とした円盤形状をなしている。具体的には、カバー４は、軸線Ｏ方向の第二側から第一側に向かうに従って漸次縮径する傘形状をなしている。カバー４の内周端部４１は、ディスク２の端部２ａとの間に、径方向Ｄｒに間隔を空けて配置されている。これにより、カバー４の内周端部４１とディスク２の端部２ａとの間は、軸線Ｏ方向の第一側に向かって開口している。また、カバー４は、ディスク２の端部２ｂとの間に、軸線Ｏ方向に間隔を空けて配置されている。これにより、カバー４の外周端部４２とディスク２の端部２ｂとの間は、径方向Ｄｒの外側に向かって開口している。
　インペラ１は、ディスク２、カバー４、及びブレード３によって流路１２が内部に形成されている。流路１２は、ディスク２とカバー４との間において、周方向Ｄｃで互いに隣り合うブレード３によって画成されている。インペラ１は、周方向Ｄｃに複数の流路１２を有している。各流路１２は、ディスク２の端部２ａとカバー４の内周端部４１との間で、軸線Ｏ方向の第一側に向かって開口する流路入口１２ａを有している。また、各流路１２は、ディスク２の端部２ｂとカバー４の外周端部４２との間で、径方向Ｄｒの外側に向かって開口する流路出口１２ｂを有している。また、流路１２の内周面は、ディスク２の湾曲面２３、カバー４の軸線Ｏ方向の第二側（第一側と反対側）を向く面、及びブレード３の周方向を向く面で構成されている。
　ディスク２とカバー４との間隔は、径方向Ｄｒの内側から外側に向かって、漸次狭くなるよう形成されている。また、周方向Ｄｃで互いに隣り合うブレード３同士の周方向Ｄｃにおける間隔は、流路入口１２ａから流路出口１２ｂに向かって漸次広くなるよう形成されている。各流路１２は、流路入口１２ａから流路出口１２ｂに向かって、その流路断面積が漸次小さくなるよう形成されている。
　次に、上記インペラ１の形成に用いる積層造形装置１００について説明する。図３は、この発明の実施形態における積層造形装置を、スピンドルの中心軸方向からみた正面図である。図４は、図３に示した積層造形装置の、スピンドルの中心軸に沿った断面図である。図５は、図３、図４に示した積層造形装置の機能部の構成を示すブロック図である。
　図３～図５に示す積層造形装置１００は、上記したようなインペラ１を、積層造形法によって形成する。この積層造形装置１００は、周方向Ｄｃに延びる金属層２０２を、径方向Ｄｒの内側から外側に向かって積層していくことで、軸線Ｏを中心として対称に形成されたインペラ１を形成する。
　積層造形装置１００は、スピンドル装置１１０と、材料供給部１２０と、膜厚調整部１３０と、ビーム照射部１４０と、ブラシ装置１５０と、制御部１６０と、を備えている。
　スピンドル装置１１０は、スピンドル駆動部１１１（図５参照）と、スピンドル１１２とを有している。
　スピンドル１１２は、その中心軸Ａｃ回り（周方向Ｄｃ）に回転自在に設けられている。本実施形態のスピンドル１１２は、水平方向Ｄｈに延びる円柱状をなしている。スピンドル１１２は、モーター等のスピンドル駆動部１１１（図５参照）によって中心軸Ａｃまわりに回転駆動される。スピンドル１１２の径方向Ｄｒの外側にはベース部としてコア部材２０３が設けられている。
　なお、本実施形態のスピンドル１１２は、中心軸Ａｃが水平方向Ｄｈに延びるように配置されているが、このように中心軸Ａｃが鉛直方向Ｄｖに対して直交して配置されることに限定されるものではない。例えば、スピンドル１１２は、中心軸Ａｃが鉛直方向Ｄｖに対して傾斜して配置されていてもよい。
　スピンドル駆動部１１１は、スピンドル１１２を中心軸Ａｃまわりに回転させる。スピンドル駆動部１１１は、制御部１６０によって回転速度や回転角度等のスピンドル１１２を回転させる条件が制御されている。
　コア部材２０３は、円筒状をなしている。コア部材２０３は、その内側にスピンドル１１２を挿入し、例えば焼きばめ等によってスピンドル１１２に対して中心軸Ａｃ回り及び中心軸Ａｃ方向（幅方向Ｄｗ）に移動不能に固定される。このコア部材２０３は、形成すべきインペラ１の一部を形成している。本実施形態のコア部材２０３は、インペラ１と同材料で形成されていてもよい。
　なお、コア部材２０３は、インペラ１と同材料で形成されていることに限定されるものではない。例えば、コア部材２０３は、母材（積層造形されるインペラ１）が焼嵌め性の悪い材料で形成される場合には、母材と異なる焼嵌め性の良い材料で形成してもよい。
　材料供給部１２０は、スピンドル１１２の径方向Ｄｒの外側に設けられたコア部材（ベース部）２０３上に金属粉末を含む成形材料２００を供給して粉末層２０１を形成する。材料供給部１２０は、コア部材２０３上に、スピンドル１１２の外周面の接線方向に粉末層２０１を形成するように成形材料２００を供給する。本実施形態の材料供給部１２０は、貯留タンク１２１と、タンク移動機構１２２（図５参照）とを備えている。
　貯留タンク１２１は、積層造形法で用いる金属粉末を含む成形材料２００を貯留する。ここで、本実施形態においては、成形材料２００として、金属粉末を分散媒に分散させ、予め定めた所定範囲内の粘度を有したスラリー状（ペースト状）のものを用いる。ここで、所定範囲内の粘度とは、固化される前の成形材料２００が回転するコア部材２０３から鉛直方向Ｄｖの下方に脱落しない程度の粘度である。この貯留タンク１２１は、スピンドル１１２に近い側に開口部１２３を有している。貯留タンク１２１は、スピンドル１１２に対して水平方向Ｄｈに相対移動可能に設けられている。
　タンク移動機構１２２は、スピンドル１１２に対して貯留タンク１２１を移動させる。タンク移動機構１２２は、貯留タンク１２１の位置を、水平方向Ｄｈに移動させる。タンク移動機構１２２は、開口部１２３をスピンドル１１２の径方向Ｄｒの外側で、成形材料２００を供給すべき材料供給部位Ｐ１に押し当てるように貯留タンク１２１の位置を調整する。
　材料供給部１２０は、貯留タンク１２１内に貯留された成形材料２００を、開口部１２３を通してスピンドル１１２の径方向Ｄｒの外側の材料供給部位Ｐ１に供給する。
　なお、本実施形態の材料供給部１２０は、開口部１２３を介して貯留タンク１２１から材料供給部位Ｐ１に対して成形材料２００を直接供給する構造とされているが、材料供給部１２０はこのような構造に限定されるものではない。例えば、貯留タンク１２１と接続されたブラシやノズル等の他の成形材料２００を供給するための部品を備えており、貯留タンク１２１から材料供給部位Ｐ１に対して成形材料２００を間接的に供給する構造としてもよい。
　膜厚調整部１３０は、材料供給部１２０で形成する粉末層２０１の膜厚を調整する。本実施形態の膜厚調整部１３０は、調整ブレード１３１と、ブレード移動機構１３２（図５参照）と、を備えている。
　調整ブレード１３１は、材料供給部１２０の貯留タンク１２１の開口部１２３に対し、スピンドル１１２の回転方向Ｒの下流側に配されている。調整ブレード１３１は板状をなしている。調整ブレード１３１の下端部１３１ａは、材料供給部位Ｐ１に供給された成形材料２００に当たる。調整ブレード１３１は、スピンドル１１２に対して鉛直方向Ｄｖに相対移動可能に設けられている。
　ブレード移動機構１３２は、調整ブレード１３１を鉛直方向Ｄｖに移動させる。ブレード移動機構１３２は、コア部材２０３の外周面に対する調整ブレード１３１の下端部１３１ａの位置を移動させることで、粉末層２０１の膜厚を変更可能としている。
　膜厚調整部１３０は、材料供給部位Ｐ１に供給された成形材料２００がスピンドル１１２と一体に回転する際に、ブレード移動機構１３２で調整ブレード１３１の位置を調整する。位置が調整された調整ブレード１３１の下端部１３１ａに粉末層２０１の表面が当たることで、粉末層２０１の表面が平滑に均されるとともに、粉末層２０１の膜厚が調整される。
　ビーム照射部１４０は、材料供給部１２０によって形成された粉末層２０１の所定の範囲に成形材料２００を固化させるビームＢを照射する。本実施形態のビーム照射部１４０は、ビームノズル１４１と、ビーム移動機構１４３（図５参照）と、焦点位置調整部１４４（図５参照）と、を備える。
　ビームノズル１４１は、調整ブレード１３１に対し、スピンドル１１２の回転方向Ｒの下流側に配されている。この実施形態では、ビームノズル１４１は、スピンドル１１２の中心軸Ａｃの鉛直方向Ｄｖ上方に配置されている。ビームノズル１４１は、ビーム源（図示無し）から供給されるレーザまたは電子ビーム等のビームＢを、鉛直方向Ｄｖ下方の照射部位Ｐ２において、成形材料２００に照射する。
　ビーム移動機構１４３は、ビームノズル１４１を、図４に示すように、スピンドル１１２の中心軸Ａｃに沿った幅方向Ｄｗに移動させる。また、ビーム移動機構１４３は、ビームノズル１４１を、鉛直方向Ｄｖに移動させ、スピンドル１１２の外周面に対して相対的に移動させる。
　焦点位置調整部１４４は、ビームノズル１４１から成形材料２００に照射されるビームＢの焦点位置を調整する。
　このビーム照射部１４０は、ビーム移動機構１４３で鉛直方向Ｄｖの位置が調整されたビームノズル１４１からビームＢを照射する。ビーム照射部１４０は、スピンドル１１２の周方向Ｄｃにおいて最上部に位置する照射部位Ｐ２で粉末層２０１にビームＢを照射する。成形材料２００は、ビームＢが照射されると焼結して固化される。ビーム照射部１４０は、ビーム移動機構１４３によって、ビームノズル１４１を幅方向Ｄｗに沿って移動させながら、インペラ１を形成すべき部分においてのみ、成形材料２００にビームＢを照射する。ビームＢの照射後、成形材料２００は固化されて金属層２０２を形成する。
　ブラシ装置１５０は、ビームノズル１４１よりもスピンドル１１２の回転方向Ｒの下流側であって、貯留タンク１２１よりもスピンドル１１２の回転方向Ｒの上流側に設けられている。ブラシ装置１５０は、金属層２０２の表面から突出するように固化された部分を除去する。本実施形態のブラシ装置１５０は、ブラシ移動機構１５１と、ブラシ本体１５２とを有している。
　ブラシ本体１５２は、その先端部がスピンドル１１２の径方向Ｄｒの外側において、金属層２０２の表面に接触している。
　ブラシ移動機構１５１は、スピンドル１１２に対してブラシ装置１５０を水平方向Ｄｈに相対移動させる。ブラシ移動機構１５１は、ブラシ装置１５０の先端部を金属層２０２に押し当てるように、ブラシ装置１５０の位置を調整する。
　図５に示すように、制御部１６０は、スピンドル駆動部１１１、タンク移動機構１２２、ブレード移動機構１３２、ビーム移動機構１４３、焦点位置調整部１４４、ブラシ移動機構１５１の動作を、予め設定されたコンピュータプログラムに基づいて制御する。例えば、制御部１６０は、ビームＢの照射状況に応じて、スピンドル１１２を回転させるようにスピンドル駆動部１１１に指示を送る。制御部１６０は、スピンドル１１２の回転状況に応じて、貯留タンク１２１を移動させるようにタンク移動機構１２２に指示を送る。制御部１６０は、スピンドル１１２の回転状況に応じて、調整ブレード１３１を移動させるようにブレード移動機構１３２に指示を送る。制御部１６０は、スピンドル１１２の回転状況に応じて、ビームノズル１４１を移動させるようにビーム移動機構１４３に指示を送る。制御部１６０は、スピンドル１１２の回転状況に応じて、ビームノズル１４１の焦点位置を調整させるように焦点位置調整部１４４に指示を送る。制御部１６０は、スピンドル１１２の回転状況に応じて、ブラシ本体１５２を移動させるようにブラシ移動機構１５１に指示を送る。
　次に、上記したような積層造形装置１００を用いたインペラ１の積層造形方法について説明する。以下に示すインペラ１の積層造形方法は、積層造形装置１００において、制御部１６０が予め設定されたコンピュータプログラムに基づいた制御を行うことで、自動的に実行される。なお、インペラ１の積層造形方法は、本実施形態の積層造形装置１００を用いずに実施してもよい。
　図６は、この発明の実施形態における積層造形方法の流れを示すフローチャートである。図６に示すように、本実施形態におけるインペラ１の積層造形方法は、コア部材セット工程Ｓ１と、材料供給工程Ｓ２と、ビーム照射工程Ｓ３と、を有している。
　コア部材セット工程Ｓ１は、図３、図４に示すように、スピンドル１１２に、インペラ１の一部を形成するコア部材２０３を装着する。本実施形態のコア部材セット工程Ｓ１では、事前にコア部材２０３を準備する。準備されたコア部材２０３は、内周面がスピンドル１１２の外周面と接触した状態で固定される。これにより、コア部材２０３の外周面をベース部としている。
　材料供給工程Ｓ２は、スピンドル１１２を回転させながら、ベース部上に粉末層２０１を形成する。本実施形態の材料供給工程Ｓ２は、コア部材セット工程Ｓ１で、スピンドル１１２に装着されたコア部材２０３の外周面をベース部として粉末層２０１を形成する。材料供給工程Ｓ２は、スピンドル１１２に装着したコア部材２０３の中心よりも鉛直方向Ｄｖの上方で、材料供給部１２０から成形材料２００を供給する。
　ここで、材料供給部１２０で材料を供給するときには、スピンドル１１２を所定の角度だけ回転方向Ｒに回転させながら、貯留タンク１２１の開口部１２３を材料供給部位Ｐ１に押し当てる。貯留タンク１２１内に貯留された成形材料２００が開口部１２３を通して材料供給部位Ｐ１に押し付けられて付着する。この状態でスピンドル１１２が回転することでコア部材２０３の外周面上に粉末層２０１が形成される。これにより、成形材料２００は、材料供給部位Ｐ１において、開口部１２３の幅方向Ｄｗの開口寸法と同寸法の幅で、スピンドル１１２の回転方向Ｒ、すなわち周方向Ｄｃに連続して帯状に供給される。
　このとき、成形材料２００は、所定の粘度を有するスラリー状をなしている。そのため、材料供給部位Ｐ１で供給した成形材料２００が、鉛直方向Ｄｖの下方に流れてしまうことが抑えられている。
　このようにして、供給された成形材料２００は、スピンドル１１２の回転にともなって、回転方向Ｒの下流側に移動する。粉末層２０１は、膜厚調整部１３０の調整ブレード１３１により、その表面が均され、所定の膜厚に形成される。
　ビーム照射工程Ｓ３は、粉末層２０１の所定の範囲にビームを照射して成形材料２００を固化させる。本実施形態のビーム照射工程Ｓ３は、膜厚調整部１３０で膜厚が調整され、スピンドル１１２の回転によって照射部位Ｐ２に到達した粉末層２０１に対して実施される。ビーム照射工程Ｓ３ではビーム照射部１４０のビームノズル１４１からビームＢを照射する。
　このとき、ビーム照射部１４０は、ビーム移動機構１４３によって、形成すべきインペラ１の断面形状に応じてスピンドル１１２の中心軸Ａｃに沿った幅方向Ｄｗにビームノズル１４１を移動される。そして、インペラ１の各部を形成すべき位置のみにおいて、ビームノズル１４１からビームを照射する。すなわち、ビーム照射部１４０は、インペラ１を形成しない部分ではビームの照射を停止する。これにより、インペラ１を形成すべき幅方向Ｄｗの部位のみにおいて、成形材料２００が固化して金属層２０２が形成される。
　ここで、ビームＢを幅方向Ｄｗに移動させながらビームＢを照射するときには、スピンドル１１２の回転を停止させる。すなわちスピンドル１１２は、材料供給工程Ｓ２における材料供給中に回転し、ビーム照射工程Ｓ３でビームＢが照射されている間は停止する。つまり、スピンドル１１２は間欠的に回転する。
　ビームＢを照射するビーム照射工程Ｓ３を終えたら、制御部１６０は、インペラ１の成形が終了したか否かを判定して確認する（判定工程Ｓ４）。インペラ１の成形が終了していなければ、材料供給工程Ｓ２に戻る。すなわち、インペラの成形が終了するまで、上記の材料供給工程Ｓ２とビーム照射工程Ｓ３とを繰り返す。
　その結果、金属層２０２は、コア部材２０３の径方向Ｄｒの外側で周方向Ｄｃに延びていく。その後、金属層２０２は。コア部材２０３の径方向Ｄｒの外側に向かって複数周にわたって繰り返される。これにより、金属層２０２は、コア部材２０３の外周面において径方向Ｄｒの内側から外側に向かって順次積層されていく。このように周方向Ｄｃに順次形成した金属層２０２によってインペラ１が形成される。
　ところで、上記材料供給工程Ｓ２で、成形材料２００を供給しながらスピンドル１１２を回転させる回転角度は、ビーム照射工程Ｓ３で照射するビームＢのビーム幅以下となる回転角度とするのが好ましい。これにより、スピンドル１１２の回転方向Ｒ（周方向Ｄｃ）において、供給した成形材料２００をつなぎ目無く溶融させて金属層２０２を形成することができる。
　また、材料供給工程Ｓ２とビーム照射工程Ｓ３とが繰り返されることで、金属層２０２は径方向Ｄｒの内側から外側に向かって積層されていく。金属層２０２が径方向Ｄｒに積層されていくことで、成形途中のインペラ１は、その外径が順次拡大する。これに伴い、材料供給部位Ｐ１、照射部位Ｐ２の位置も径方向Ｄｒの外側に移動することとなる。そこで、制御部１６０の制御により、貯留タンク１２１をタンク移動機構１２２により、径方向Ｄｒの外側に移動させていく。同様に、制御部１６０の制御によって、調整ブレード１３１、ビームノズル１４１、及びブラシ本体１５２が、ブレード移動機構１３２、ビーム移動機構１４３、及びブラシ移動機構１５１により、それぞれ径方向Ｄｒの外側に移動させていく。
　また、形成する金属層２０２の厚さを変化させる必要があるときには、膜厚調整部１３０において、調整ブレード１３１の位置をブレード移動機構１３２で調整することができる。このとき、制御部１６０は、ブレード移動機構１３２で調整した調整ブレード１３１の位置（成形材料２００の膜厚の推定値）に応じて、ビームノズル１４１から照射するビームＢの焦点位置を、焦点位置調整部１４４で調整する。
　判定工程Ｓ４で、インペラ１の成形が終了したと判断されたら、積層造形装置１００は、一連の積層造形動作を終了する。その後、スピンドル１１２からコア部材２０３ごと取り外し、必要に応じて、熱処理、表面の研磨処理等を行うことで、インペラ１が完成する。
　上記したようにして、積層造形装置１００で、インペラ１を積層造形法によって形成すると、インペラ１を構成するディスク２、ブレード３、及びカバー４は、径方向Ｄｒの内側から外側に向かって金属層２０２が順次積層されることで形成される。
　上述した実施形態の積層造形方法及び積層造形装置１００によれば、スピンドル１１２の中心軸Ａｃ方向に交差する方向に延びるディスク２やカバー４を、下方から上方に向かって積層形成することができる。これにより、従来は成形が困難であった、内部に複雑な形状を有しているインペラ１の成形が可能となる。また、ディスク２とカバー４との間隔が小さく、流路１２が狭いインペラ１であっても、径方向Ｄｒの内側から径方向Ｄｒの外側に向かって積層造形していくことで、成形が可能となる。
　また、スピンドル１１２を回転させながら積層造形して形成したインペラ１は、周方向における均一性が高くなる。したがって、インペラ１を形成する金属の結晶成長方向がインペラ１の中心軸Ａｃから径方向Ｄｒの外側に延びる方向となる。これにより、遠心方向に対するインペラ１の強度の異方性を低減することができる。
　このようにして、複雑な形状のインペラ１の成形が可能となり、かつ、周方向に均一な強度分布を有したインペラ１を形成することが可能となる。
　さらに、積層造形時に流路１２内でディスク２やカバー４を支持するためのサポートを形成する位置を減らすことができる。これにより、複雑な形状のインペラ１の成形がより容易となる。
　また、スピンドル１１２を、ビームＢのビーム幅以下の回転角度で間欠的に回転させるようにした。これにより、スピンドル１１２を回転させながら供給した成形材料２００を、つなぎ目無く溶融させてインペラ１を形成することができる。これにより、均質なインペラ１を得ることができる。
　また、成形材料２００は、予め定めた範囲内の粘度を有するスラリー状をなしている。これにより、スピンドル１１２の上側に供給した成形材料２００が、下方に流れてしまうことを抑制できる。そのため、回転させながら積層造形を高い精度で行うことができる。
　また、スピンドル１１２に装着したコア部材２０３に成形材料２００を形成することで、このコア部材２０３を基材としてインペラ１を効率良く形成することができる。
　また、上述した積層造形装置１００は、膜厚調整部１３０を備えているので、１回の積層造形で形成される金属層２０２の膜厚を増減させることができる。さらに、膜厚調整部１３０で調整した成形材料２００の膜厚に応じて、焦点位置調整部１４４でビームＢの焦点位置を調整することができる。これにより、膜厚を増減させた場合であっても、成形材料２００を良好に溶融させることができる。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
　例えば、上記実施形態では、スピンドル１１２に、筒状のコア部材２０３を設けるようにしたが、コア部材２０３の構成については何ら限定するものではない。例えば、中実で柱状のコア部材を、スピンドル１１２と一体に形成し、このコア部材の外周面に積層造形を行うようにしてもよい。この場合には、スピンドル１１２の外周面が実質的にベース部となる。このような中実柱状のコア部材は、例えばインペラ１の回転軸とすることができる。すなわち、インペラ１と、回転軸とを、積層造形により一体に形成することもできる。
　また、ビームノズル１４１から照射するビームＢの照射方向は、スピンドル１１２の中心軸Ａｃを中心とした方向に限らない。例えば、ビームノズル１４１を傾斜させたり、ビームノズル１４１を中心軸Ａｃから側方にオフセットさせることによって、ビームＢを、照射部位Ｐ２の成形材料２００の表面に対し、傾斜した方向から照射させても良い。
　また、スピンドル１１２の中心軸Ａｃを、水平方向Ｄｈに対して傾斜させても良い。その場合、コア部材２０３の位置ズレを抑えるため、コア部材２０３をスピンドル１１２に確実に係止させるのが好ましい。
　さらに、上記実施形態で示した積層造形方法及び積層造形装置１００は、インペラ１に限らず、他の回転体のような軸対称の部材の成形にも適用することができる。したがって、上記実施形態で示した積層造形方法及び積層造形装置１００は、回転体に限らず、環状、筒状、円盤状等の各種の部材の成形にも適用することができる。
　また、本実施形態の積層造形装置１００は、スピンドル１１２の位置を固定し、貯留タンク１２１、調整ブレード１３１、ビームノズル１４１、及びブラシ本体１５２をスピンドル１１２の回転状況に応じて移動させる構成としたが、このような構成に限定されるものではない。例えば、貯留タンク１２１及び調整ブレード１３１の位置を固定し、スピンドル１１２の位置を可変としてもよい。この際、スピンドル１１２は、貯留タンク１２１と調整ブレード１３１とに対する接点を結んだ線分の法線方向に移動可能とされていることが好ましい。また、ビームノズル１４１、及びブラシ本体１５２は積層厚に応じて移動可能とされていればよい。
　上記した積層造形方法、積層造形装置によれば、複雑な形状の成形体の成形を可能とし、かつ、周方向に均一な強度分布を有した成形体を形成することができる。
１　インペラ（成形体）
２　ディスク
２ａ　端部
２ｂ　端部
３　ブレード
４　カバー
１１　軸挿通孔
１２　流路
１２ａ　流路入口
１２ｂ　流路出口
２３　湾曲面
４１　内周端部
４２　外周端部
１００　積層造形装置
１１０　スピンドル装置
１１１　スピンドル駆動部
１１２　スピンドル
１２０　材料供給部
１２１　貯留タンク
１２２　タンク移動機構
１２３　開口部
１３０　膜厚調整部
１３１　調整ブレード
１３１ａ　下端部
１３２　ブレード移動機構
１４０　ビーム照射部
１４１　ビームノズル
１４３　ビーム移動機構
１４４　焦点位置調整部
１５０　ブラシ装置
１５１　ブラシ移動機構
１５２　ブラシ本体
１６０　制御部
２００　成形材料
２０１　粉末層
２０２　金属層
２０３　コア部材
Ａｃ　中心軸
Ｂ　ビーム
Ｄｃ　周方向
Ｄｈ　水平方向
Ｄｒ　径方向
Ｄｖ　鉛直方向
Ｄｗ　幅方向
Ｏ　軸線
Ｐ１　材料供給部位
Ｐ２　照射部位
Ｒ　回転方向
Ｓ１　コア部材セット工程
Ｓ２　材料供給工程
Ｓ３　ビーム照射工程
Ｓ４　判定工程

Claims (6)

  1. 　中心軸回りに回転可能に設けられたスピンドルを回転させながら、前記スピンドルの径方向の外側に設けられたベース部上に、金属粉末を含む成形材料を供給して粉末層を形成する材料供給工程と、
    　前記粉末層の所定の範囲にビームを照射して前記成形材料を固化させるビーム照射工程と、を繰り返すことで成形体を形成する積層造形方法。
  2. 　前記材料供給工程は、前記ビームのビーム幅以下の回転角度で前記スピンドルを回転させる請求項１に記載の積層造形方法。
  3. 　前記成形材料は、予め定めた範囲内の粘度を有するスラリー状をなしている請求項１または請求項２に記載の積層造形方法。
  4. 　前記材料供給工程は、前記スピンドルに装着された筒状をなして前記成形体の一部を形成するコア部材の外周面を前記ベース部として前記粉末層を形成する請求項１から請求項３の何れか一項に記載の積層造形方法。
  5. 　中心軸回りに回転可能に設けられたスピンドルと、
    　前記スピンドルを回転させるスピンドル駆動部と、
    　前記スピンドルの径方向の外側に設けられたベース部上に金属粉末を含む成形材料を供給して粉末層を形成する材料供給部と、
    　前記材料供給部によって形成された前記粉末層の所定の範囲に前記成形材料を固化させるビームを照射するビーム照射部と、を備える積層造形装置。
  6. 　前記材料供給部で形成する前記粉末層の膜厚を調整する膜厚調整部をさらに備える請求項５に記載の積層造形装置。
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