特開 2020-12160 積層造形物の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-12160(P2020-12160A)

(43)【公開日】2020年1月23日

(54)【発明の名称】積層造形物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/16 20060101AFI20191220BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20191220BHJP

   B22F 3/24 20060101ALI20191220BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20191220BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20191220BHJP

【ＦＩ】

   B22F3/16

   B22F3/105

   B22F3/24 G

   B29C64/153

   B33Y10/00

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-135353(P2018-135353)

(22)【出願日】2018年7月18日

(11)【特許番号】特許第6532990号(P6532990)

(45)【特許公報発行日】2019年6月19日

(71)【出願人】

【識別番号】000132725

【氏名又は名称】株式会社ソディック

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】松本 格

【テーマコード（参考）】

4F213

4K018

【Ｆターム（参考）】

4F213AC04

4F213AR06

4F213AR11

4F213WA25

4F213WA54

4F213WA73

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL12

4F213WL42

4F213WL55

4F213WL95

4K018CA44

4K018DA31

4K018EA51

4K018EA60

4K018FA06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】焼結層の形成と冷却とを繰り返してマルテンサイト変態を制御する積層造形物製造方法の提供。
【解決手段】焼結層形成工程では、造形温度Ｔ１において、リコート工程と焼結工程とを１回以上繰り返すことによって焼結層を形成し、前記リコート工程では、造形領域上に材料粉体を供給し且つ平坦化して材料粉体層を形成し、前記焼結工程では、前記材料粉体層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を焼結させ、前記冷却工程は、前記焼結層を冷却温度Ｔ２まで冷却する温度低下工程と、前記冷却温度Ｔ２まで低下した前記焼結層の温度を維持する温度維持工程とを含み、前記焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記焼結層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる。Ｔ１≧Ｍｆ（１）、Ｔ１＞Ｔ２（２）、Ｔ２≦Ｍｓ（３）
【選択図】図１０

【特許請求の範囲】

【請求項1】

焼結層形成工程と冷却工程を繰り返すことによる繰り返し工程を備える積層造形物の製造方法であって、
前記焼結層形成工程では、造形温度Ｔ１において、リコート工程と焼結工程とを１回以上繰り返すことによって焼結層を形成し、
前記リコート工程では、造形領域上に材料粉体を供給し且つ平坦化して材料粉体層を形成し、
前記焼結工程では、前記材料粉体層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を焼結させ、
前記冷却工程は、
前記焼結層を冷却温度Ｔ２まで冷却する温度低下工程と、
前記冷却温度Ｔ２まで低下した前記焼結層の温度を維持する温度維持工程とを含み、
前記焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記焼結層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされ、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
前記冷却工程を行なうときに選択的に前記繰り返し工程によって形成された焼結体の表面を切削加工する切削工程を実施し、
前記切削工程における荒加工工程を前記温度低下工程の行われる期間に開始するとともに、前記切削工程における１回以上の仕上げ加工工程は前記温度維持工程の行われる期間中に行なうことを特徴とする、積層造形物の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の積層造形物の製造方法であって、
前記荒加工工程の工程時間は、前記温度低下工程の工程時間より短く、
前記荒加工工程は、前記温度低下工程が完了する時以前に完了する、積層造形物の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形物の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属の積層造形には複数の方式があるが、例えば焼結積層造形法では、不活性ガスが充満された密閉されたチャンバ内において、上下方向に移動可能な造形テーブルに載置されたベースプレート上に金属材料からなる材料粉体を均一の厚さで供給し、供給された材料粉体の所定箇所にレーザ光または電子ビームを照射して照射位置の材料粉体を焼結させることによって複数の焼結層を積層する。特に、焼結層の外形を整えるように、積層された焼結層に切削加工を施すようにすることがある。そして材料粉体の供給、所定箇所における材料粉体の焼結、焼結層の切削を繰り返すことにより、所望の三次元形状を有する積層造形物を生成する。

【0003】

このような金属の積層造形において、材料粉体へのレーザ光または電子ビームの照射により形成された焼結層は、焼結直後は非常に高温であるが、既に形成されている焼結層、造形プレートまたは不活性ガス雰囲気への放熱等により温度が急速に低下する。このとき、金属では熱膨張係数が正であるために体積が収縮する。しかし、隣接する焼結層や造形プレートとの密着により収縮量は制限されるため引張応力として残留する。

【0004】

一方、金属材料がマルテンサイト系の材料である場合、焼結層として形成された直後はオーステナイト相であるが、所定の温度条件等を満たした上で冷却されることによってマルテンサイト相へと変態する。マルテンサイト変態は体積の膨張を伴うため、圧縮応力が発生する。

【0005】

上記の技術的背景の下、本出願人は、１層または複数層の焼結層を形成する毎に焼結層を冷却させ、意図的にマルテンサイト変態を進行させることで、金属の収縮による引張応力をマルテンサイト変態による圧縮応力で軽減して造形物の残留応力を制御し、造形物の変形を抑制可能な積層造形装置および積層造形物の製造方法に係る発明を提案した（特許文献１）。特許文献１の発明においては、意図的にマルテンサイト変態を進行させるために、１層または複数層の焼結層を形成する毎に該焼結層に所定の温度調整を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第６２９５００１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、このような積層造形方法を行う場合には、１層または複数層の焼結層を形成する毎に数時間程度の冷却工程を行うため、全体として数十時間以上の工程時間の延長が生じていた。しかも、必要十分な精度を得るために１層または複数層を形成する毎に切削加工を行なうようにする場合は、１回の切削工程毎に十数分以上要するので、切削加工を行なわない造形加工に比べて全体で数時間以上余計に工程時間が長くなっている。したがって、材料粉体の供給、材料粉体の焼結、焼結層の切削を繰り返す造形加工であって、意図的にマルテンサイト変態を進行させて造形物の変形を抑える積層造形を行なう場合は、高精度の造形加工を行なえる反面、相当余計に造形時間を要している。

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、焼結層の形成と冷却とを繰り返すとともに、造形途中で切削加工を行なう積層造形物の製造方法において、全体の造形時間を削減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によれば、焼結層形成工程と冷却工程を繰り返すことによる繰り返し工程を備える積層造形物の製造方法であって、前記焼結層形成工程では、造形温度Ｔ１において、リコート工程と焼結工程とを１回以上繰り返すことによって焼結層を形成し、前記リコート工程では、造形領域上に材料粉体を供給し且つ平坦化して材料粉体層を形成し、前記焼結工程では、前記材料粉体層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を焼結させ、前記冷却工程は、前記焼結層を冷却温度Ｔ２まで冷却する温度低下工程と、前記冷却温度Ｔ２まで低下した前記焼結層の温度を維持する温度維持工程とを含み、前記焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記焼結層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされ、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
前記冷却工程を行なうときに選択的に前記繰り返し工程によって形成された焼結体の表面を切削加工する切削工程を実施し、前記切削工程における荒加工工程を前記温度低下工程の行われる期間に開始するとともに、前記切削工程における１回以上の仕上げ加工工程は前記温度維持工程の行われる期間中に行なうことを特徴とする、積層造形物の製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本発明では、冷却工程の完了を待たずに切削工程の内の荒加工工程を行うため、冷却工程と荒加工工程とを並行して行うこととなり、荒加工工程分の時間を短縮したのと同様の工程時間の削減が実現される。

【0011】

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記荒加工工程の工程時間は、前記温度低下工程の工程時間より短く、前記荒加工工程は、前記温度低下工程が完了する時以前に完了する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。

【図3】本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。

【図4】本発明の実施形態に係るレーザ照射装置１３の概略構成図である。

【図5】本発明の実施形態に係る温度調整装置９０を備える造形テーブル５の一例の概略構成図である。

【図6】本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。

【図7】本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。

【図8】本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。

【図9】本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。

【図10】本発明の実施形態における焼結体８１の上面層の温度変化を示すグラフである。

【図11】他の実施形態における焼結体８１の上面層の温度変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、それぞれが独立して発明を構成する。

【0014】

図１に示すように、本発明の実施形態に係る積層造形装置は、マルテンサイト系金属である材料粉体からなる材料粉体層８を形成し、この材料粉体層８の照射領域にレーザ光Ｌを照射して材料粉体を溶融および固化させる（以下、焼結ともいう）を繰り返すことで、複数の焼結層を積層して所望の三次元形状を有する積層造形物を生成する積層造形装置である。本発明の積層造形装置は、チャンバ１とレーザ照射装置１３とを有する。

【0015】

チャンバ１は、所定の造形領域Ｒを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満される。チャンバ１には、内部に材料層形成装置３が設けられ、上面部に保護ウインドウ汚染防止装置１７が設けられる。材料層形成装置３は、ベース台４とリコータヘッド１１とを有する。

【0016】

ベース台４は、積層造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒには、造形テーブル５が設けられる。造形テーブル５は、造形テーブル駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動することができる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に治具プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。また、所定の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元形状を有する積層造形物の輪郭形状で規定される領域とおおよそ一致する。

【0017】

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未固化の材料粉体が保持される。図１においては不図示であるが、粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部が設けられてもよい。かかる場合、積層造形の完了後に造形テーブル５を降下させることによって、未固化の材料粉体が粉体排出部から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。

【0018】

図２および図３に示すように、リコータヘッド１１は、材料収容部１１ａと材料供給部１１ｂと材料排出部１１ｃとを有する。

【0019】

材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。なお、材料排出部１１ｃは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状である。

【0020】

また、リコータヘッド１１の両側面には、それぞれブレード１１ｆｂ、１１ｒｂが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料粉体を撒布する。換言するとブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成する。

【0021】

切削装置５０は、スピンドル６０が設けられた加工ヘッド５７を有する。加工ヘッド５７は、不図示の加工ヘッド駆動機構により、スピンドル６０を所望の位置に移動させる。

【0022】

スピンドル６０は、不図示のエンドミル等の切削工具を取り付けて回転させることができるように構成されており、材料粉体層を焼結して得られた焼結層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。切削工具は複数種類の切削工具であることが好ましく、使用する切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。

【0023】

チャンバ１の上面には、保護ウインドウ１ａを覆うように保護ウインドウ汚染防止装置１７が設けられる。保護ウインドウ汚染防止装置１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じて保護ウインドウ汚染防止装置１７の下方に向かって噴出される。

【0024】

照射装置として、レーザ照射装置１３が、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ照射装置１３は、造形領域Ｒ上に形成される材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結させる。具体的には、図４に示すように、レーザ照射装置１３は、レーザ光源４２と２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂとフォーカス制御ユニット４４とを有する。なお、各ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれガルバノミラー４３ａ、４３ｂを回転させるアクチュエータを備えている。

【0025】

レーザ光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を溶融可能なレーザであって、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。

【0026】

フォーカス制御ユニット４４は、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光し所望のスポット径に調整する。２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御される。かかる特徴により、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂの各アクチュエータに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって、所望の位置にレーザ光Ｌを照射することができる。

【0027】

ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを通過したレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられた保護ウインドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８に照射される。保護ウインドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光ＬがファイバーレーザまたはＹＡＧレーザの場合、保護ウインドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。

【0028】

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、１層または複数層の焼結層が新たに造形される毎に、新たに造形された焼結層を第１温度（造形温度）、第２温度（冷却温度）の順番で温度調整する温度調整装置を有する。なお、造形温度および冷却温度は温度調整装置によって調整可能な温度幅に含まれ、造形温度をＴ１、冷却温度をＴ２、焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび焼結層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
ただし、本発明は、造形温度Ｔ１と冷却温度Ｔ２で実施した前の冷却工程の次の冷却工程において、造形温度Ｔ１または冷却温度Ｔ２を前の冷却工程における造形温度Ｔ１または冷却温度Ｔ２と同じ温度に設定する場合だけではなく、上記式（１）から（３）を満足する範囲で前の冷却工程における造形温度Ｔ１とは異なる造形温度Ｔ１'に変更して設定する場合（Ｔ１'→Ｔ）、あるいは、前の冷却工程における冷却温度Ｔ２とは異なる冷却温度Ｔ２'に変更して設定する場合（Ｔ２'→Ｔ２）を含む。

【0029】

なお、以下においては、焼結層形成工程によって新たに形成された焼結層を上面層とも呼ぶ。上面層は、焼結層によって構成される焼結体の上部に位置することとなる。焼結後、冷却工程において冷却される前の上面層はオーステナイト相を含む状態であって、冷却により少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。

【0030】

温度調整装置は、上面層を造形温度および冷却温度に温度調整可能に構成されていればよい。特に、温度調整装置は上面層を加熱可能な加熱器と、上面層を冷却可能な冷却器のうち少なくともいずれか一方を有し、好ましくは両者を有する。

【0031】

一例として、温度調整装置９０は、造形テーブル５に設けられる。図５に示すように、本実施形態においては、温度調整装置９０を備える造形テーブル５は、天板５ａおよび３つの支持板５ｂ，５ｃ，５ｄを備える。天板５ａとこれに隣接する支持板５ｂの間には天板５ａを加熱可能な加熱器９２が配置されている。

【0032】

支持板５ｂの下側の２枚の支持板５ｃ，５ｄの間には天板５ａを冷却可能な冷却器９３が配置されている。造形テーブル５は、加熱器９２および冷却器９３によって温度調整可能に構成されており、加熱器９２および冷却器９３が温度調整装置９０を構成する。

【0033】

なお、図５に示される実施形態では、管材を支持板５ｃ，５ｄの間に挟み込むようにして冷却器９３を構成しているが、例えば、支持板５ｃ，５ｄの一方または両方に配管穴を形成し支持板５ｃ，５ｄを合わせることによって支持板５ｃ，５ｄに直接冷却配管を形成するようにして冷却器９３を構成してもよい。

【0034】

また、造形テーブル駆動機構３１の熱変位を防止するため、温度調整装置９０と造形テーブル駆動機構３１との間に一定の温度に保たれた恒温部が設けられてもよい。以上のように温度調整装置９０を構成することで、所望の温度に設定された造形テーブル５の天板５ａと接触する治具プレート７および下層の焼結層を介して、上面層を所望の温度に調整することが可能である。なお、材料粉体層８は焼結にあたり所定温度に予熱されていることが望ましいが、温度調整装置９０は材料粉体層８の予熱装置としての役割も果たす。具体的には、材料粉体層８は温度調整装置９０によって造形温度に保温される。

【0035】

チャンバ１は所定濃度の不活性ガスが供給されるとともに、材料粉体層８の溶融時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスを排出している。具体的には、チャンバ１には、不活性ガス供給装置１５と、ダクトボックス２１，２３を介してヒュームコレクタ１９が接続されている。

【0036】

不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。不活性ガス供給装置１５は、チャンバ１に設けられた供給口から不活性ガスの供給を行い、チャンバ１を所定濃度の不活性ガスで充満させる。

【0037】

チャンバ１の排出口から排出されたヒュームを多く含む不活性ガスはヒュームコレクタ１９へと送られ、ヒュームが除去された上でチャンバ１へと返送される。なお、本開示において、不活性ガスとは、材料粉体と実質的に反応しないガスをいい、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等から材料粉体の種類に応じて適当なものが選択される。

【0038】

（積層造形物の製造方法）
図６〜図１０を用いて、上述した積層造形装置を用いた積層造形物の製造方法について説明する。なお、図６〜図１０では、視認性を考慮し図１〜図５で示していた積層造形装置の構成要素を一部省略している。

【0039】

図６に示すように、造形テーブル５上に治具プレート７およびベースプレート３３を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。治具プレート７およびベースプレート３３は、いずれも鉄または鋼鉄などの金属で構成される。治具プレート７およびベースプレート３３は、同一の材質でもよく、または、異なる材質としてもよい。

【0040】

上記設置工程の後、焼結層形成工程を行う。焼結層形成工程では、造形テーブル５の温度を造形温度Ｔ１に設定した状態で、リコート工程と焼結工程とを１回以上繰り返す。

【0041】

図７に示すように、リコート工程において、材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を、矢印Ｂ方向の左側から右側に移動させる。これにより、造形領域上に材料粉体を供給され且つ平坦化されることとなり、材料粉体層８が形成される。

【0042】

次に、焼結工程において、材料粉体層８の照射領域にレーザ光Ｌを照射することで、当該照射領域を焼結させ、ベースプレート３３上に１層目の焼結層８１ａを形成する。

【0043】

次に、図８に示すように、造形テーブル５の高さを１層目の焼結層８１ａの厚さ分下げ、再度、リコート工程と焼結工程とを行う。具体的には、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させ、造形領域上に材料粉体層８を形成する。そして、材料粉体層８の照射領域にレーザ光Ｌを照射して焼結させ、ベースプレート３３上に２層目の焼結層８１ｂを形成する。

【0044】

このように、焼結層形成工程では、複数の焼結層８１ａ，８１ｂ...の形成を繰り返すことによって、焼結体８１が形成される。これら順次積層される焼結層同士は、互いに強く固着される。

【0045】

以上の工程を繰り返して予め定められた１つまたは複数の焼結層が形成された後、温度調整装置によって冷却工程が行われる。冷却工程は、造形テーブル５の温度を造形温度Ｔ１から、Ｔ１よりも低い冷却温度Ｔ２まで低下させる温度低下工程と、冷却温度Ｔ２まで低下した造形テーブル５の温度を維持する温度維持工程とを含む。

【0046】

上記冷却工程を行なうときに、焼結体８１の表面を切削加工する切削工程を行う。図９に示すように、切削工程では、切削装置５０の備えるスピンドル６０を焼結体８１の近傍に移動させ、焼結体８１表面に所望の切削加工を行う。

【0047】

ここで、切削工程は、荒加工工程と仕上げ加工工程とを含む。荒加工工程では、焼結体８１に対して大まかな切削加工を行う。それに対して、仕上げ加工工程は、荒加工工程が完了した焼結体８１に対して、精緻な形状加工を伴う切削加工を行う。

【0048】

ここで、実施の形態においては、荒加工工程と仕上げ加工工程とは、取り代と加工工程の工程数は、各工程における残り代の狙い値で規定している。冷却工程中は、冷却ともなう縮小と、マルテンサイト変態にともなう膨張とによって継続的に変形しており、変位が安定しないため、冷却工程中に切削加工を行なうと、目標の形状精度を得ることが困難であるばかりか、所望の加工形状を超えて切削してしまうと、造形途中の積層造形物に致命的な損傷を与えてしまうおそれがある。そのため、冷却工程を完了して変位が安定した後に切削加工を行うというのが常識である。しかしながら、荒加工工程は、焼結体８１から材料を大まかに取り除く工程であるので、加工誤差が大きくても、または加工誤差の大きさが一定でなくても、仕上げ加工工程のために十分に取り代を残しておくならば、言い換えると、仕上げ加工工程のための十分な残り代があるならば、荒加工の後の１回以上の加工工程において加工誤差を取り除くことができる。一方、元々残り代が少ない仕上げ加工工程においては、変形にともなって生じる加工誤差を次の加工工程で修正できない可能性が高く、または、所望の加工形状を超えて加工してしまうおそれがある。本発明は、冷却工程中に変形にともなって発生する最大の加工誤差が後の加工工程で修正することが可能である"荒加工工程"を冷却工程中に行なう。

【0049】

図１０は、焼結層形成工程および冷却工程における焼結体８１の上面層の温度を示すグラフである。図１０に示すように、焼結層形成工程では、焼結工程におけるレーザ光の照射により、焼結体８１の上面層は非常に高温（約１５００℃〜１６００℃）となる。その後、レーザ光の照射が完了すると、上面層の温度は造形テーブルの温度（すなわち造形温度）Ｔ１と熱平衡となるように低下し、所定の時間経過後に造形温度Ｔ１となる。その後、冷却工程が行われる。

【0050】

冷却工程では、まず温度低下工程が行われ、造形テーブル５の温度を造形温度Ｔ１から冷却温度Ｔ２に変更して設定する。それに伴い、ベースプレート３３および焼結体８１は冷却温度Ｔ２まで低下する。ここで、上述したように、造形温度Ｔ１および冷却温度Ｔ２は、以下の関係を満たすように設定される。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）

【0051】

このとき、材料粉体としてマルテンサイト変態が生じる金属材料を用いているため、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓからマルテンサイト変態終了温度Ｍｆの範囲で急冷される際に焼結体８１の上面層ではマルテンサイト変態が発生し、体積が膨張する。これにより、上面層の冷却による収縮に起因する引張応力を軽減することができる。

【0052】

本実施形態では、温度変化に伴い焼結体８１の上面層の体積が変化する温度低下工程において、荒加工工程を実施する。上述のように、荒加工工程は、焼結体８１から余剰部分を大まかに取り除く工程であって残し代が十分にあるため、焼結体８１の体積変化にかかわらず実施することが可能である。

【0053】

そして所定の時間が経過すると、図１０に示すように焼結体８１の上面層の温度は冷却温度Ｔ２となり、温度維持工程が行われる。温度維持工程では、造形テーブル５の温度が冷却温度Ｔ２のまま維持される。そのため、焼結体８１の上面層の温度も冷却温度Ｔ２のまま維持される。本実施形態では、当該温度維持工程が行われる期間中に、仕上げ加工工程を実施する。

【0054】

仕上げ加工工程は、上述のように、焼結体８１に対して精緻な形状加工を施す工程である。そのため、温度変化に伴う焼結体８１の大きな体積変化は許容されない。そこで、造形テーブル５および焼結体８１の上面層の温度が冷却温度Ｔ２で維持されている温度維持工程の期間中に仕上げ加工工程を行うことにより、焼結体８１を変形させることなく、精緻な形状加工の精度を維持することが可能となる。

【0055】

上記温度維持工程完了後、再度造形テーブル５の温度を造形温度Ｔ１に設定し、焼結層形成工程が行われる。このようにして、焼結層形成工程と冷却工程とが繰り返される。

【0056】

以上のようにして、本実施形態では、温度低下工程の行われる期間に、切削加工工程における荒加工工程を実施する。このようにすることで、温度低下工程と切削加工工程とを同時に行うこととなり、それぞれの工程を順次行っていた場合と比較して、全体の造形時間を削減することが可能となる。

【0057】

さらに、温度低下工程実施後、温度維持工程において、仕上げ加工工程を行う。このようにすることで、造形テーブル５および焼結体８１の温度が冷却温度Ｔ２に維持されている期間に仕上げ工程を行うこととなるため、焼結体８１の温度変化に伴う変形の影響を受けることなく、精緻な切削加工を行う事が可能となる。
＜他の実施の形態＞

【0058】

なお、本開示の技術的思想の適用範囲は、上記実施形態に限定されない。たとえば、図１１に示すように、荒加工工程は、温度低下工程と同時に開始され、温度低下工程が完了した後であって温度維持工程の途中において完了されるように実施されてもよい。この場合、温度低下工程の作業時間分、造形時間を削減することが可能となる。

【0059】

また、荒加工工程の時間を計測しておき、当該計測時間に基づいて、仕上げ加工工程の開始のタイミングを決定してもよい。このようにすることで、より確実に焼結体８１の冷却後に仕上げ加工を行う事が可能となる。

【0060】

また、切削工程は選択的に実施することが可能である。すなわち、焼結層形成工程と冷却工程とを繰り返す中で、冷却工程を行うたびに切削工程を行ってもよいし、特定の冷却工程においてのみ、切削工程を行ってもよい。

【0061】

また、切削工程における仕上げ工程は、２回以上行ってもよい。すなわち、温度維持工程において切削工程を行った後、形状精度を測定し、所定の基準を満たしていない場合に、再度仕上げ工程を行ってもよい。

【0062】

また、温度調整装置として、焼結体８１の上面層をその上方側から加熱する加熱器を用いてもよい。この場合、温度調整装置として例えばハロゲンランプ等を用いることができる。さらに、温度調整装置として、上面層に対しチャンバ１に充満される不活性ガス等と同種の冷却気体を吹き付ける送風機、またはペルチェ素子等によって冷却された冷却板を上面層に接触させる冷却器を備えるように構成してもよい。このような温度調整装置によれば、直接上面層を造形温度および冷却温度に温度調整することができ、多数層の焼結層を形成した後でも迅速に上面層の温度調整を行うことができる。

【符号の説明】

【0063】

１ ：チャンバ
１ａ ：保護ウインドウ
３ ：材料層形成装置
４ ：ベース台
５ ：造形テーブル
５ａ ：天板
５ｂ ：支持板
５ｃ ：支持板
５ｄ ：支持板
７ ：治具プレート
８ ：材料粉体層
１１ ：リコータヘッド
１１ａ ：材料収容部
１１ｂ ：材料供給部
１１ｃ ：材料排出部
１１ｆｂ ：ブレード
１１ｒｂ ：ブレード
１３ ：レーザ照射装置
１５ ：不活性ガス供給装置
１７ ：保護ウインドウ汚染防止装置
１７ａ ：筐体
１７ｂ ：開口部
１７ｃ ：拡散部材
１７ｄ ：不活性ガス供給空間
１７ｅ ：細孔
１７ｆ ：清浄室
１９ ：ヒュームコレクタ
２１ ：ダクトボックス
２３ ：ダクトボックス
２６ ：粉体保持壁
３１ ：造形テーブル駆動機構
３３ ：ベースプレート
４２ ：レーザ光源
４３ａ ：ガルバノミラー
４３ｂ ：ガルバノミラー
４４ ：フォーカス制御ユニット
５０ ：切削装置
５７ ：加工ヘッド
６０ ：スピンドル
８１ ：焼結体
８１ａ ：焼結層
８１ｂ ：焼結層
９０ ：温度調整装置
９２ ：加熱器
９３ ：冷却器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【手続補正書】

【提出日】2019年4月25日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

焼結層形成工程と冷却工程を繰り返すことによる繰り返し工程を備える積層造形物の製造方法であって、
前記焼結層形成工程では、造形温度Ｔ１において、リコート工程と焼結工程とを１回以上繰り返すことによって焼結層を形成し、
前記リコート工程では、造形領域上に材料粉体を供給し且つ平坦化して材料粉体層を形成し、
前記焼結工程では、前記材料粉体層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を焼結させ、
前記冷却工程は、
前記焼結層を冷却温度Ｔ２まで冷却する温度低下工程と、
前記冷却温度Ｔ２まで低下した前記焼結層の温度を維持する温度維持工程とを含み、
前記焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記焼結層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされ、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
前記冷却工程を行なうときに選択的に前記繰り返し工程によって形成された焼結体の表面を切削加工する切削工程を実施し、
前記切削工程における荒加工工程を前記温度低下工程の行われる期間に開始するとともに、前記切削工程における１回以上の仕上げ加工工程は前記温度維持工程の行われる期間中に行ない、
前記荒加工工程の工程時間は、前記温度低下工程の工程時間より短く、
前記荒加工工程は、前記温度低下工程が完了する時以前に完了する、積層造形物の製造方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

本発明によれば、焼結層形成工程と冷却工程を繰り返すことによる繰り返し工程を備える積層造形物の製造方法であって、前記焼結層形成工程では、造形温度Ｔ１において、リコート工程と焼結工程とを１回以上繰り返すことによって焼結層を形成し、前記リコート工程では、造形領域上に材料粉体を供給し且つ平坦化して材料粉体層を形成し、前記焼結工程では、前記材料粉体層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を焼結させ、前記冷却工程は、前記焼結層を冷却温度Ｔ２まで冷却する温度低下工程と、前記冷却温度Ｔ２まで低下した前記焼結層の温度を維持する温度維持工程とを含み、前記焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記焼結層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされ、
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
前記冷却工程を行なうときに選択的に前記繰り返し工程によって形成された焼結体の表面を切削加工する切削工程を実施し、前記切削工程における荒加工工程を前記温度低下工程の行われる期間に開始するとともに、前記切削工程における１回以上の仕上げ加工工程は前記温度維持工程の行われる期間中に行ない、前記荒加工工程の工程時間は、前記温度低下工程の工程時間より短く、前記荒加工工程は、前記温度低下工程が完了する時以前に完了する、積層造形物の製造方法が提供される。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】削除

【補正の内容】