特許 6305807 物質積層装置及び積層部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6305807

(24)【登録日】2018年3月16日

(45)【発行日】2018年4月4日

(54)【発明の名称】物質積層装置及び積層部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 26/00 20060101AFI20180326BHJP

   C23C 26/02 20060101ALI20180326BHJP

   C23C 2/00 20060101ALI20180326BHJP

   B23K 26/36 20140101ALI20180326BHJP

   B29C 67/00 20170101ALI20180326BHJP

   B23K 26/342 20140101ALN20180326BHJP

【ＦＩ】

   C23C26/00 E

   C23C26/02

   C23C2/00

   B23K26/36

   B29C67/00

   !B23K26/342

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-69697(P2014-69697)

(22)【出願日】2014年3月28日

(65)【公開番号】特開2015-190031(P2015-190031A)

(43)【公開日】2015年11月2日

【審査請求日】2016年9月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】315017775

【氏名又は名称】三菱重工工作機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162824

【弁理士】

【氏名又は名称】石崎 亮

(72)【発明者】

【氏名】吉村 仁

【審査官】 祢屋 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−０８８１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２８５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平１１−５０９３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２８８３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２１９１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０８８４６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ ２４／００−３０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物質をワークに積層する物質積層装置であって、
溶融状態又は半溶融状態にある物質が入れられた容器と、
上記容器から物質が供給され、ワーク上で回転することによって半溶融状態の物質を圧接する回転体と、
上記回転体によって圧接された物質を完全に溶融させる溶融用レーザと、
上記ワークと上記回転体及び上記溶融用レーザとの相対的位置を複数回変化させることにより、上記ワークに物質が積層されるように、上記回転体及び上記溶融用レーザ、及び／又は上記ワークを移動させる移動機構と、
を有し、
上記回転体はロールであり、
上記ワークに物質を積層しない箇所に応じた、上記ロール上にある物質の部分に対して、スクライビング処理を行うスクライビング処理用レーザを更に備える、ことを特徴とする物質積層装置。

【請求項2】

上記スクライビング処理により、上記ワークに圧接されずに上記ロール上に残存した物質を、回収して上記容器に戻す回収機構を更に有する、請求項１に記載の物質積層装置。

【請求項3】

ワークに物質を積層して積層部材を製造する積層部材の製造方法であって、
溶融状態又は半溶融状態にある物質を回転体に供給する工程と、
上記回転体をワーク上で回転させることによって半溶融状態の物質を圧接する工程と、
上記回転体によって圧接された物質を溶融用レーザによって完全に溶融させる工程と、
上記ワークと上記回転体及び上記溶融用レーザとの相対的位置を複数回変化させることにより、上記ワークに物質が積層されるように、上記回転体及び上記溶融用レーザ、及び／又は上記ワークを移動させる工程と、
を有し、
上記回転体はロールであり、
上記半溶融状態の物質を圧接する工程の前に、上記ワークに物質を積層しない箇所に応じた、上記ロール上にある物質の部分に対して、スクライビング処理用レーザによってスクライビング処理を行う工程を更に備える、ことを特徴とする積層部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物質積層装置及び積層部材の製造方法に係わり、特に、物質を積層する物質積層装置、及び物質が積層された積層部材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、ワークに金属を積層して、所定の部材を造形する技術が知られている。例えば、特許文献１には、レーザ光を積層箇所に照射して、点による積層を行う技術が開示されている。また、特許文献１には、粉体を用いて積層を行う技術が開示されている。更に、例えば、特許文献２には、ワークをマスクで覆った状態で、レーザ光をマスク越しにワークに照射することで、マスクのパターン模様に相応した造形物を製造する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−１９００号公報

【特許文献2】特許第３２３３３５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示された技術では、レーザ光を用いた点による積層を行っていたため、積層効率が低い傾向にあった。
また、特許文献１に開示された技術のように、粉体を用いた場合、粉体の精度（粒子径、粒子密度、粒子形状）や積層条件（温度、速度、方向、順序）により、積層後における材質の特性が不安定になる傾向にあった。また、積層後の内部残留応力による変形が生じてしまう場合があった。例えば、内部に分割面や凹みや隙間などが発生してしまう場合があった。
また、粉体を用いる技術では、粉体の保守点検が必要であった。例えば、粉体の保守点検とは、槽内へのごみ混入対策や、金属粉の爆発対策や、槽内の温度管理や、攪拌作業などである。
更に、粉体を用いて積層を行う技術では、原材料を溶融する工程、アトマイズにより粉体を生成する工程、粉体を分級する工程、分級した粉体を積層する工程、及び積層部材を選択溶融する工程を行う必要があり、工程が多いために、コストが高くなる傾向にあった。特に、この技術では、溶融処理を２回行う必要があった。

【0005】

他方で、特許文献２に開示された技術では、マスクパターンを利用して、平行光を一括照射していたため、レーザパワーが必要となり、装置が大型化する傾向にあった。加えて、マスクパターンが消耗品であったため、消耗品コストが発生していた。

【0006】

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、積層後における材質の安定性を確保しつつ、工程数を削減することによりコストなどを低減させることが可能な物質積層装置及び積層部材の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明の第１発明は、物質をワークに積層する物質積層装置であって、溶融状態又は半溶融状態にある物質が入れられた容器と、容器から物質が供給され、ワーク上で回転することによって半溶融状態の物質を圧接する回転体と、回転体によって圧接された物質を完全に溶融させる溶融用レーザと、ワークと回転体及び溶融用レーザとの相対的位置を複数回変化させることにより、ワークに物質が積層されるように、回転体及び溶融用レーザ、及び／又はワークを移動させる移動機構と、を有し、回転体はロールであり、ワークに物質を積層しない箇所に応じた、ロール上にある物質の部分に対して、スクライビング処理を行うスクライビング処理用レーザを更に備える、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、容器から回転体に物質を供給し、回転体をワーク上で回転させることにより半溶融状態の物質を圧接し、回転体によって圧接された物質を溶融用レーザによって完全に溶融させ、ワークと回転体及び溶融用レーザとの相対的位置を複数回変化させることにより、ワークに物質を積層する（つまりワーク上に物質の複数の層を積み重ねる）。そのため、従来技術のように粉体を用いて積層を行う構成と比較すると、原材料（粉体）を溶融する工程、アトマイズにより粉体を生成する工程、及び粉体を分級する工程を省くことができる。したがって、本発明によれば、物質をワークに積層するためのトータルのコスト及びエネルギーを低減することができる。また、本発明によれば、半溶融状態の物質を圧接しながら積層するため、材料の密度が高く、材質も安定している積層部材を得ることができる。
また、本発明によれば、回転体としてのロールを用いて、当該ロールの長さ分を線で積層するので、従来技術のように点による積層を行う構成と比較して、積層効率を向上させることができる。更に、本発明によれば、ワークに物質を積層しない箇所に応じた、ロール上にある物質の部分に対して、スクライビング処理を行うので、ワーク上に種々の積層パターンを適切に形成することができる。

【0009】

本発明において、好ましくは、スクライビング処理により、ワークに圧接されずにロール上に残存した物質を、回収して容器に戻す回収機構を更に有する。
このように構成された本発明においては、スクライビング処理によってロール上に残存した物質を回収して容器に戻すため、圧接積層に用いられなかった物質が残存した状態でロールが回転していくことで、その後の圧接積層に悪影響を与えてしまうことを抑制することができると共に、圧接積層に用いられなかった物質を適切に再利用することができる。

【0011】

また、本発明の第２発明は、ワークに物質を積層して積層部材を製造する積層部材の製造方法であって、溶融状態又は半溶融状態にある物質を回転体に供給する工程と、回転体をワーク上で回転させることによって半溶融状態の物質を圧接する工程と、回転体によって圧接された物質を溶融用レーザによって完全に溶融させる工程と、ワークと回転体及び溶融用レーザとの相対的位置を複数回変化させることにより、ワークに物質が積層されるように、回転体及び溶融用レーザ、及び／又はワークを移動させる工程と、有し、回転体はロールであり、半溶融状態の物質を圧接する工程の前に、ワークに物質を積層しない箇所に応じた、ロール上にある物質の部分に対して、スクライビング処理用レーザによってスクライビング処理を行う工程を更に備える、ことを特徴とする。
このように構成された本発明によっても、従来技術のように粉体を用いて積層を行う構成と比較すると、原材料（粉体）を溶融する工程、アトマイズにより粉体を生成する工程、及び粉体を分級する工程を省くことができるので、物質をワークに積層するためのトータルのコスト及びエネルギーを低減することが可能となる。また、半溶融状態の物質を圧接しながら積層するため、材料の密度が高く、材質も安定している積層部材を得ることができる。
また、本発明においては、ワークに物質を積層しない箇所に応じた、ロール上にある物質の部分に対して、スクライビング処理を行うので、ワーク上に種々の積層パターンを適切に形成することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明の物質積層装置及び積層部材の製造方法によれば、積層後における材質の安定性を確保しつつ、工程数を削減することによりコストなどを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態による金属積層装置の概略構成を示す断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態によるスクライビング処理を説明するための図であり、図２（Ａ）は、圧接ロール及びスクライビング処理用レーザの斜視図であり、図２（Ｂ）は、積層開始時における圧接ロール及び金属の断面図であり、図２（Ｃ）は、ワークに圧接された金属の層の斜視図であり、図２（Ｄ）は、ワーク上に積層対象が形成された後における圧接ロール及び金属の断面図である。

【図3】本発明の第１実施形態による金属積層装置が適用された積層部材の製造装置の概略構成を示す側面図である。

【図4】本発明の第１実施形態による積層部材の製造方法を示すフローチャートである。

【図5】本発明の第２実施形態による金属積層装置の概略構成を示す断面図である。

【図6】本発明の第２実施形態による金属積層装置が適用された積層部材の製造装置の概略構成を示す斜視図である。

【図7】本発明の第２実施形態による積層部材の製造方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による物質積層装置及び積層部材の製造方法について説明する。
なお、本明細書では、「ワーク」の文言は、所定の物質を積層する種々の対象物（積層対象物）を意味する。このワークには、物質が既に積層された部材も含むものとする。つまり、ワーク自体が積層物であってもよい。

【0016】

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態について説明する。

【0017】

図１は、本発明の第１実施形態による、物質積層装置としての金属積層装置の概略構成図を示している。

【0018】

図１に示すように、金属積層装置１は、主に、溶解炉１１と、厚み調節ロール１２と、圧接ロール１３と、スクライビング処理用レーザ１４と、溶融用レーザ１５と、回収機構１６と、を有する。金属積層装置１は、金属４をワーク５に積層するための装置である。金属４は、例えばアルミ合金であり、ワーク５は、そのような金属４を積層する対象物（積層物）に相当する。例えば、金属積層装置１は、パネル及びリブを有する航空機アルミ合金製大物構造物について、圧延で成形したパネル上に薄膜溶融金属を直接積層するために利用される。

【0019】

溶解炉１１は、金属４を溶解する炉であり、溶融状態にある金属４が入れられた容器に相当する。例えば、溶解炉１１には、約７００℃程度のアルミ合金（Ａ７０７５などのＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金）が、溶融状態にある金属４として入れられている。

【0020】

厚み調節ロール１２は、溶解炉１１から金属４が供給され、その２つのロール間の距離によって、ワーク５に積層する金属４の厚みを調整する。
なお、厚み調節ロール１２を用いて、ワーク５に積層する金属４の厚みを調整することに限定はされず、厚み調節ロール１２を用いる代わりに、溶湯を圧接ロール１３に吹き付けるメルトスピニング法を用いて、金属４の厚みを調整してもよい。メルトスピニング法を用いる場合には、溶湯を噴射するノズルと圧接ロール１３との距離や、圧接ロール１３の回転速度などを調整することによって、ワーク５に積層する金属４の厚みを調整すればよい。ここで挙げた方法以外にも、材料の厚みを調整する種々の方法が知られており、それらの方法を適用してもよい。

【0021】

圧接ロール１３は、半溶融状態の金属４をワーク５に圧接積層するための、円柱形状を有する回転体である。具体的には、圧接ロール１３は、厚み調節ロール１２を通過した金属４が供給され、矢印Ａ１１に示すようにワーク５に押し付けられた状態で、矢印Ａ１２に示すように回転しながらワーク５上を移動することにより、金属４をワーク５に圧接する。ここで、溶解炉１１内の金属４は溶融状態にあるが、溶解炉１１から圧接ロール１３へ金属４が供給される段階で冷えることにより、圧接ロール１３上の金属４は半溶融状態となる。そのため、半溶融状態の金属４が圧接ロール１３によってワーク５上に圧接されることとなる。上記で例示したアルミ合金を金属４として用いた場合には、このアルミ合金は圧接ロール１３及びワーク５上で約６００℃程度になっている。
なお、「溶融状態」とは、完全な液体の状態に相当し、「半溶融状態」とは、固体と液体とが共存した固液共存状態（言い換えると半凝固状態／半硬化状態）に相当する。

【0022】

スクライビング処理用レーザ１４（図１ではレーザヘッドのみを図示している）は、例えば半導体レーザであり、ワーク５に未だ圧接を行っていない圧接ロール１３上の金属４の部分（つまり、これからワーク５に対して圧接が行われる圧接ロール１３上の金属４の部分）に向けて、レーザ光を照射する。具体的には、スクライビング処理用レーザ１４は、ワーク５に金属４を積層しない箇所に応じた、圧接ロール１３上にある金属４の部分に対して、レーザ光を照射することにより蒸発させる処理（スクライビング処理）を行う。このスクライビング処理については、詳細は後述する。

【0023】

溶融用レーザ１５（図１ではレーザヘッドのみを図示している）は、例えば半導体レーザであり、ワーク５に向けてレーザ光を照射する。具体的には、溶融用レーザ１５は、圧接ロール１３によってワーク５上に圧接された金属４に対してレーザ光を照射することにより、半溶融状態にある金属４を完全に溶融させる。例えば、溶融用レーザ１５は、ワーク５上の最も上の金属層とその下の金属層とが一体化するように、金属４を完全に溶融させる。
なお、「完全に溶融」とは、固体と液体とが共存した半溶融状態にある金属４の全体が完全な液体の状態になるように溶融させることに相当する。

【0024】

回収機構１６は、上述したスクライビング処理により、ワーク５に圧接されずに圧接ロール１３上に残存している金属４を、回収して溶解炉１１に戻す機構である。具体的には、回収機構１６は、圧接ロール１３に残存している金属４を剥ぎ取るスクレーパー、及びスクレーパーによって剥ぎ取られた金属４を溶解炉１１に搬送する搬送路などを有する。

【0025】

なお、ワーク５上に金属４が既に積層されている場合には、厳密には、圧接ロール１３は、積層された金属４の部分を回転しながら移動し、その金属４の部分に新たな金属４を圧接することとなるが、本明細書においては、そのような場合にも、説明を簡単にするために、圧接ロール１３がワーク５上を移動するという表現や、圧接ロール１３がワーク５上に金属４を圧接するという表現を用いるものとする（第２実施形態で示すボールについても同様である）。

【0026】

次に、図２を参照して、スクライビング処理について具体的に説明する。

【0027】

図２（Ａ）は、圧接ロール１３及びスクライビング処理用レーザ１４の斜視図を示している。具体的には、積層開始時（例えばワーク５に金属４の一層目を形成する時）に行われるスクライビング処理を説明するための図を示している。
図２（Ａ）に示すように、積層開始時には、ワーク５に金属４を積層しない箇所に対応する、圧接ロール１３上にある金属４の部分（以下では適宜「金属４ｂ」と表記する。）に対して、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光を照射することによって、その金属４ｂの一部分を蒸発させる。他方で、ワーク５に金属４を積層する箇所に対応する、圧接ロール１３上にある金属４の部分（以下では適宜「金属４ａ」と表記する。）に対しては、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光を照射しない。なお、上記のように、圧接ロール１３上にある金属４ｂの一部分を蒸発させることに限定はされず、金属４ｂの全部を蒸発させてもよい。

【0028】

このようなスクライビング処理は、圧接ロール１３とスクライビング処理用レーザ１４とを同期制御することによって実現される。例えば、圧接ロール１３が回転している間に圧接ロール１３上の金属４ｂの部分に対してレーザ光が適切に照射されるように、その金属４ｂの面積などに応じて、圧接ロール１３の回転速度の制御と、スクライビング処理用レーザ１４を移動させる制御とが同期して行われる。

【0029】

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中の切断線Ｖ−Ｖに沿った断面拡大図を示している。図２（Ｂ）に示すように、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光が照射された金属４ｂの部分と、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光が照射されていない金属４ａの部分との間に、破線領域Ａ２１に示すような段差が生じている。これは、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光によって、段差Ａ２１に相当する金属４ｂが蒸発されたためである。また、金属４ａの部分と金属４ｂの部分との間にも、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光を照射することにより、矢印Ａ２２に示すような切れ目を形成する。この切れ目Ａ２２は、圧接ロール１３によるワーク５への圧接時に、圧接ロール１３上で金属４ａの部分と金属４ｂの部分とが分離し易くなるように形成している。

【0030】

図２（Ｃ）は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示したような積層開始時におけるスクライビング処理後に、圧接ロール１３によってワーク５に圧接された金属４の層の斜視図を示している。図２（Ｃ）に示すように、金属４ａの部分に対応する層のみがワーク５上に形成され、金属４ｂの部分に対応する層がワーク５上に形成されていないことがわかる（矢印Ａ２３参照）。これは、圧接ロール１３上の段差Ａ２１がない金属４ａの部分のみがワーク５に当接し、圧接ロール１３上の段差Ａ２１がある金属４ｂの部分はワーク５に当接しなかったためである。なお、金属４ｂの部分は、圧接ロール１３上に残存し、上述した回収機構１６によって回収されて溶解炉１１に戻される。

【0031】

図２（Ｄ）は、ワーク５上に積層対象が形成された後（ワーク５に少なくとも一層以上の金属層が形成された後）に行われるスクライビング処理を説明するための図を示している。図２（Ｄ）も、図２（Ａ）中の切断線Ｖ−Ｖに沿った断面図に相当する。図２（Ｄ）に示すように、ワーク５に積層対象が形成された後には、圧接ロール１３上における金属４ａの部分と金属４ｂの部分との間にのみ、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光を照射することにより、矢印Ａ２４に示すような切れ目を形成する。つまり、積層開始時のように、段差Ａ２１を形成するように金属４ｂの部分にレーザ光を照射しない。したがって、ワーク５に積層対象が形成された後には、圧接ロール１３上の金属４に対して切れ目Ａ２４のみを形成するようにスクライビング処理を行えばよいので、積層時間が短縮されることとなる。

【0032】

図２（Ｄ）に示したスクライビング処理後に圧接ロール１３でワーク５に圧接すると、これまでの圧接積層では金属４ａの部分のみがワーク５上に積層されているので、圧接ロール１３上の金属４ａの部分のみが、ワーク５上に積層された部分に当接して圧接されることとなる。一方で、これまでの圧接積層では金属４ｂの部分はワーク５上に積層されていないので、圧接ロール１３上の金属４ｂの部分は、ワーク５上に積層された部分に当接しない。そのため、金属４ｂの部分は、圧接ロール１３上に残存し、上述した回収機構１６によって回収されて溶解炉１１に戻される。

【0033】

なお、複数の層にわたって、ワーク５上で同じ平面形状を有する金属４の層を形成することに限定はされず、各層において、ワーク５上で異なる平面形状を有する金属４の層を形成してもよい。

【0034】

次に、図３を参照して、本発明の第１実施形態による金属積層装置１が適用された全体装置構成例について説明する。図３は、金属積層装置１が適用された積層部材の製造装置１００の概略構成図を示している。具体的には、図３は、金属積層装置１の圧接ロール１３を形成する円柱の長さ方向に沿って、積層部材の製造装置１００を観察した側面図を示しており、説明の便宜上、一部分を透視した図を示している。なお、「積層部材」は、金属４が積層された部材に相当する。

【0035】

図３に示すように、積層部材の製造装置１００は、主に、上述した金属積層装置１と、金属積層装置１を移動可能に構成された、移動機構としてのガントリー３１と、ワーク５が載置されるステージ３２と、金属積層装置１の圧接ロール１３やワーク５などを取り囲む熱遮断壁３３と、を有する。積層部材の製造装置１００は、これら以外にも、熱遮断壁３３の上部を覆うテレスコカバーや、ワーク５を装置１００内に搬入したり、ワーク５を装置１００から取り出したりするための開閉可能な開口部などを有していてもよい。

【0036】

金属積層装置１全体は、ガントリー３１に取り付けられており、ガントリー３１によって、図３中に示すＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動される。基本的には、ガントリー３１は、金属積層装置１の圧接ロール１３によって、ワーク５の全体にわたって金属４を圧接積層するために（つまりワーク５全体に金属４の複数の層を形成するために）、金属積層装置１をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動させる。

【0037】

金属積層装置１のスクライビング処理用レーザ１４は、このような金属積層装置１全体の移動とは独立して、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能に構成されていると共に、矢印Ａ３１方向に回動可能に構成されている。スクライビング処理用レーザ１４は、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示したようなスクライビング処理が実現されるように、Ｙ方向及びＺ方向に移動されると共に、矢印Ａ３１方向に回動される。同様に、金属積層装置１の溶融用レーザ１５も、金属積層装置１全体の移動とは独立して、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能に構成されていると共に、矢印Ａ３２方向に回動可能に構成されている。溶融用レーザ１５は、圧接ロール１３によってワーク５上に圧接された金属４に隈なくレーザ光を照射して完全溶融させるように、Ｙ方向及びＺ方向に移動されると共に、矢印Ａ３２方向に回動される。

【0038】

典型的には、金属積層装置１は、ガントリー３１によって以下のように移動される。金属積層装置１は、ワーク５上に金属４の１つの層を形成する際に、ワーク５のＸ方向における始端から終端まで圧接ロール１３などが移動するように、ガントリー３１によってＸ方向における一方向（図３では右方向）に向かって移動される。そして、金属積層装置１は、１つの層の形成が完了すると、つまり圧接ロール１３（厳密には溶融用レーザ１５）がワーク５のＸ方向における終端まで到達すると、ワーク５に次の層を形成するために、当該金属積層装置１が持ち上がるように上方向（つまりＺ方向における一方向）にガントリー３１によって移動された後に、圧接ロール１３などがワーク５のＸ方向における始端まで移動するように、ガントリー３１によってＸ方向における他方向（図３では左方向）に向かって移動される。この後、金属積層装置１は、圧接ロール１３などがワーク５のＸ方向における始端まで到達すると、当該金属積層装置１が降りるように下方向（つまりＺ方向における他方向）にガントリー３１によって移動された後に、上記と同様にして、ガントリー３１によってＸ方向における一方向（図３では右方向）に向かって移動される。
このようにして、金属積層装置１がガントリー３１によってＸ方向に複数回往復されることにより、ワーク５に複数の金属４の層が形成されることとなる、つまりワーク５に金属４が積層されることとなる。

【0039】

ここで、ワーク５のＹ方向における長さが圧接ロール１３のＹ方向における長さよりも長い場合には、金属積層装置１は、ワーク５のＹ方向に延びる積層すべき箇所全体にわたって圧接ロール１３などが移動するように、ガントリー３１によってＹ方向にも移動される。例えば、金属積層装置１は、ワーク５のＸ方向における一端から他端までの圧接ロール１３などの移動が完了するごと、ガントリー３１によってＹ方向に移動される。この場合、ワーク５においてＹ方向に並ぶ金属４の層の間に継ぎ目が現れないように、金属積層装置１をＹ方向に移動させる量などを調整するとよい。

【0040】

なお、上記では、ワーク５を固定し、金属積層装置１を移動させる例を示したが、これに限定はされない。他の例では、金属積層装置１を固定し、ワーク５を移動させてもよい（この場合、ワーク５が載置されるステージ３２を移動させればよい）。更に他の例では、金属積層装置１及びワーク５の両方を移動させてもよい。要は、圧接ロール１３、スクライビング処理用レーザ１４及び溶融用レーザ１５などがワーク５に対して相対的に移動すればよい。

【0041】

次に、図４を参照して、本発明の第１実施形態による積層部材の製造方法について説明する。図４は、本発明の第１実施形態による積層部材の製造方法を示すフローチャートである。

【0042】

まず、ステップＳ１１において、溶解炉１１で金属４を溶融させ、溶融された金属４を圧接ロール１３に供給する。次いで、ステップＳ１２に進み、ワーク５に金属４を積層しない箇所に応じた、圧接ロール１３上にある金属４の部分に対して、スクライビング処理用レーザ１４からのレーザ光を照射させるスクライビング処理を行う。次いで、ステップＳ１３に進み、圧接ロール１３をワーク５に押し付けた状態で、圧接ロール１３を回転させながらワーク５上を移動させることにより、半溶融状態の金属４をワーク５に圧接積層する。次いで、ステップＳ１４に進み、圧接ロール１３によってワーク５上に圧接された金属４に対して、溶融用レーザ１５からのレーザ光を照射することにより、金属４を完全に溶融させる。例えば、ワーク５上の最も上の層とその下の層とが少なくとも一体化するように、金属４を完全に溶融させる。

【0043】

次いで、ステップＳ１５に進み、ワーク５に対する造形が終了したか否かを判定する。造形が終了した場合、本実施形態による積層部材の製造方法が終了する。この後、当該積層部材の仕上げ加工などが行われる。一方で、造形が終了していない場合、ステップＳ１６に進み、圧接ロール１３などをワーク５上の次の積層ポイントに移動させるべく、ガントリー３１によって金属積層装置１を移動させる。例えば、ワーク５に次の層を形成すべく、金属積層装置１をＺ方向（上方向）に移動させた後に、金属積層装置１をワーク５のＸ方向における始端まで移動させる。そして、ステップＳ１１に戻り、上述したステップＳ１１以降の処理を再度実行する。

【0044】

次に、本発明の第１実施形態による作用効果について説明する。第１実施形態によれば、溶融状態にある金属４を溶解炉１１から圧接ロール１３に供給して、この金属４を圧接ロール１３によってワーク５に圧接積層するため、従来技術のように粉体を用いて積層を行う構成と比較すると、原材料（粉体）を溶融する工程、アトマイズにより粉体を生成する工程、及び粉体を分級する工程を省くことができる。そのため、第１実施形態によれば、金属４をワーク５に積層するためのトータルのコスト及びエネルギーを低減することができる。

【0045】

また、第１実施形態によれば、半溶融状態の金属４を圧接ロール１３によって圧接しながら積層するため、材料の密度が高く、材質も安定している積層部材を得ることができる。更に、第１実施形態によれば、圧接ロール１３を用いて、当該圧接ロール１３の長さ分を線で積層するため、従来技術のように点による積層を行う構成と比較して、積層効率を向上させることができる。

【0046】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と第２実施形態との相違点を簡単に述べると、第２実施形態は、圧接ロール１３の代わりにボールを用いて圧接積層する点で、第１実施形態と異なる。具体的には、第２実施形態では、ボールペン構造を利用して圧接積層を行う金属積層装置を採用する。
なお、以下では、第１実施形態と異なる構成について主に説明し、第１実施形態と同様の構成については説明を適宜省略する。つまり、ここで特に説明しない構成については、第１実施形態と同様であるものとする。

【0047】

図５は、本発明の第２実施形態による、物質積層装置としての金属積層装置の概略構成図を示している。

【0048】

図５に示すように、金属積層装置２は、主に、るつぼ２１と、加熱コイル２２と、ロータ２３と、ボール２４と、溶融用レーザ２５と、を有する。第２実施形態による金属積層装置２も、上述した第１実施形態による金属積層装置１と同様に、例えばアルミ合金などの金属４を、積層対象物としてのワーク５に積層するための装置である。しかしながら、第１実施形態による金属積層装置１は、典型的には、大物構造物を適用対象としていたのに対して、第２実施形態による金属積層装置２は、典型的には、複雑形状を有する、比較的小型の構造物を適用対象とする。

【0049】

るつぼ２１は、半溶融状態にある金属４（金属４の溶湯）が入れられた容器に相当する。例えば、るつぼ２１には、約６００℃程度のアルミ合金（Ａ７０７５などのＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金）が、半溶融状態にある金属４として入れられている。
なお、第２実施形態における「半溶融状態」とは、ロータにより凝固途中の金属材料を機械的に強撹拌し、デントライトを分断した状態に相当する。

【0050】

加熱コイル２２は、るつぼ２１の外周に巻き付けられており、るつぼ２１を誘電加熱するために用いられる。ロータ２３は、るつぼ２１内に入れられており、るつぼ２１内の金属４を攪拌するように動作すると共に（矢印Ａ４１参照）、るつぼ２１内の金属４を下方のボール２４に向けて押し出すように動作する（矢印Ａ４２参照）。なお、るつぼ２１内の金属４をロータ２３によって攪拌しているのは、引け巣の発生が少ない、品質の安定したダイカストを実現するためである。

【0051】

ボール２４は、半溶融状態の金属４をワーク５上に圧接積層するための、球形の回転体である。具体的には、ボール２４は、一般的な筆記具のボールペンと同様の構造が適用され、るつぼ２１の下方の先端部に回転可能に保持されている。ボール２４には、矢印Ａ４２に示すようなロータ２３の動作によって、るつぼ２１内の金属４が連続供給される。そして、ボール２４は、矢印Ａ４３に示すようにワーク５に押し付けられた状態で、矢印Ａ４４に示すように回転しながらワーク５上を移動することにより、供給された金属４をワーク５に圧接する。ボール２４の径には、積層対象物の複雑さやサイズに応じたものが適用される。
なお、るつぼ２１には半溶融状態の金属４が入れられ、ボール２４には半溶融状態の金属４が供給されるため、ボール２４やボール２４周辺の部材には比較的低温の金属４が接触することとなる。そのため、ボール２４やボール２４周辺の部材は消耗しにくい。

【0052】

溶融用レーザ２５（図５ではレーザヘッドのみを図示している）は、例えば半導体レーザであり、ワーク５に向けてレーザ光を照射する。具体的には、溶融用レーザ２５は、ボール２４によってワーク５上に圧接された金属４に対してレーザ光を照射することにより、半溶融状態にある金属４を完全に溶融させ、焼結処理を行う。

【0053】

次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態による金属積層装置２が適用された全体装置構成例について説明する。図６は、金属積層装置２が適用された積層部材の製造装置２００の概略構成を示す斜視図である。

【0054】

図６に示すように、積層部材の製造装置２００は、主に、上述した金属積層装置２と、金属積層装置２を移動可能に構成された、移動機構としてのガントリー４１（図６では一部分のみを示している）と、ワーク５が載置されるステージ４２と、を有する。積層部材の製造装置２００は、これら以外にも、金属積層装置２のボール２４やワーク５などを取り囲む熱遮断壁や、熱遮断壁の上部を覆うテレスコカバーや、ワーク５を装置２００内に搬入したり、ワーク５を装置２００から取り出したりするための開閉可能な開口部などを有していてもよい。

【0055】

金属積層装置２全体は、ガントリー４１に取り付けられており、ガントリー４１によって、図６中に示すＸ方向、Ｙ方向（ロール方向）及びＺ方向に移動される。基本的には、ガントリー４１は、金属積層装置２のボール２４によって、ワーク５における積層すべき箇所全体にわたって金属４を圧接して、ボール２４によってワーク５上に圧接された金属４に対して、金属積層装置２の溶融用レーザ２５からのレーザ光を照射して完全溶融させることによって、ワーク５に金属４の複数の層を形成するために、金属積層装置２をＸ方向及びＹ方向に移動させる。

【0056】

なお、上記では、ワーク５を固定し、金属積層装置２を移動させる例を示したが、これに限定はされない。他の例では、金属積層装置２を固定し、ワーク５を移動させてもよい（この場合、ワーク５が載置されるステージ４２を移動させればよい）。更に他の例では、金属積層装置２及びワーク５の両方を移動させてもよい。要は、ボール２４及び溶融用レーザ２５などがワーク５に対して相対的に移動すればよい。

【0057】

次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態による積層部材の製造方法について説明する。図７は、本発明の第２実施形態による積層部材の製造方法を示すフローチャートである。

【0058】

まず、ステップＳ２１において、ワーク５に積層すべき金属４を、るつぼ２１に供給する。次いで、ステップＳ２２に進み、加熱コイル２２に通電してるつぼ２１を誘電加熱することにより、るつぼ２１内の金属４を半溶融状態にし、ロータ２３を回転させることにより（図５中の矢印Ａ４１参照）、るつぼ２１内の金属４を攪拌する。次いで、ステップＳ２３に進み、ロータ２３を上下方向に移動させることにより（図５中の矢印Ａ４２参照）、るつぼ２１内の半溶融状態にある金属４をボール２４に供給する。

【0059】

次いで、ステップＳ２４に進み、ボール２４をワーク５に押し付けた状態で、ボール２４を回転させながらワーク５上を移動させることにより、半溶融状態の金属４をワーク５に圧接積層する。次いで、ステップＳ２５に進み、ボール２４によってワーク５上に圧接された金属４に対して、溶融用レーザ２５からのレーザ光を照射することにより、金属４を完全に溶融させる。

【0060】

次いで、ステップＳ２６に進み、ワーク５に対する造形が終了したか否かを判定する。造形が終了した場合、本実施形態による積層部材の製造方法が終了する。この後、当該積層部材の仕上げ加工などが行われる。一方で、造形が終了していない場合、ステップＳ２７に進み、ボール２４などをワーク５上の次の積層ポイントに移動させるべく、ガントリー４１によって金属積層装置２を移動させる。そして、ステップＳ２３に戻り、上述したステップＳ２３以降の処理を再度実行する。

【0061】

次に、本発明の第２実施形態による作用効果について説明する。第２実施形態によれば、半溶融状態にある金属４をボール２４に供給して、この金属４をボール２４によってワーク５に圧接積層するため、従来技術のように粉体を用いて積層を行う構成と比較すると、原材料（粉体）を溶融する工程、アトマイズにより粉体を生成する工程、及び粉体を分級する工程を省くことができる。そのため、第２実施形態によれば、金属４をワーク５に積層するためのトータルのコスト及びエネルギーを低減することができる。また、第２実施形態によれば、半溶融状態の金属４をボール２４によって圧接しながら積層するため、材料の密度が高く、材質も安定している積層部材を得ることができる。

【0062】

更に、第２実施形態によれば、第１実施形態で示した圧接ロール１３よりもワーク５に当接する面積が小さいボール２４を用いて圧接積層を行うため、第１実施形態よりも、複雑形状を有する積層対象物に対して圧接積層を行う場合に有利となる。
なお、第２実施形態は、複雑形状を有する積層対象物や小型の積層対象物への適用に限定されるものではなく、大きな径を有するボール２４を採用することにより、第１実施形態で示したような大型の積層対象物などに対しても適用可能である。

【0063】

［変形例］
上述した実施形態では、金属積層装置１、２を移動させる移動機構としてガントリー３１、４１を示したが、ガントリー３１、４１を移動機構として用いることに限定はされず、ガントリー３１、４１以外の公知の種々の移動機構を用いてもよい。また、ガントリー３１、４１のような金属積層装置１、２を移動させる構造体のみを移動機構とすることに限定はされず、モータや制御装置（コンピュータなど）を移動機構に含めてもよい。

【0064】

上述した実施形態では、ワーク５に積層する金属４としてアルミ合金を例示したが、本発明は、アルミ合金以外にも、鉄や銅やチタンなどの種々の金属材料に適用可能である。また、本発明は、金属材料だけでなく、セラミックスにも適用可能である。

【符号の説明】

【0065】

１、２ 金属積層装置
４ 金属
５ ワーク
１１ 溶解炉
１３ 圧接ロール
１４ スクライビング処理用レーザ
１５、２５ 溶融用レーザ
１６ 回収機構
２１ るつぼ
２３ ロータ
２４ ボール
３１、４１ ガントリー
３２、４２ ステージ
１００、２００ 積層部材の製造装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】