特許 6564108 三次元造形物の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6564108

(24)【登録日】2019年8月2日

(45)【発行日】2019年8月21日

(54)【発明の名称】三次元造形物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/105 20060101AFI20190808BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20190808BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20190808BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20190808BHJP

【ＦＩ】

   B22F3/105

   B22F3/16

   B33Y10/00

   B33Y50/02

【請求項の数】4

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2018-109852(P2018-109852)

(22)【出願日】2018年6月7日

【審査請求日】2018年10月22日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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

【審査官】 山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】 特許第６２９５００１（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１３−１６３８２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７０２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２４９０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ ３／００− ３／２６

Ｂ２９Ｃ ６４／００−６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

焼結層形成工程と冷却工程とを繰り返すことによる繰り返し工程を備える三次元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に温度調整された既に形成された焼結層上において、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次層以降の焼結層を形成し、
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することで前記材料粉体層を焼結して前記焼結層とし、
前記冷却工程では、前記焼結層を冷却温度Ｔ２にまで冷却し、
各々の前記焼結層形成工程および前記冷却工程における、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、前記各々の前記焼結層形成工程および前記冷却工程において、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）
前記繰り返し工程において少なくとも１回の反り測定工程を備え、
前記反り測定工程では、前記焼結層の反り、又は前記焼結層の変形に伴って変形する部位の反りを測定し、
前記繰り返し工程は、
前記反りの大きさがゼロまたはゼロを含む所定の範囲である所定の閾値より大きい場合には、次の前記冷却工程における前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との温度変化の差が大きくなるよう、前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との差を変化させて継続され、
前記反りの大きさが前記閾値と一致する場合または前記閾値の範囲内である場合には、次の前記冷却工程における前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との差を変化させず継続され、
前記反りの大きさが前記所定の閾値より小さい場合には、次の前記冷却工程における前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との温度変化の差が小さくなるよう、前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との差を変化させて継続される、三次元造形物の製造方法。

【請求項2】

前記リコート工程では、前記材料粉体層はベースプレート上に形成され、
前記製造方法は、前記焼結層形成工程の前に行う設置工程をさらに備え、
前記設置工程では、前記焼結層の変形に伴って前記ベースプレートが変形できるように、当該ベースプレートを設置し、
前記反り測定工程では、前記焼結層の変形に伴って変形する前記ベースプレートの反りを測定する、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項3】

前記設置工程では、前記ベースプレートの中央部を固定することにより、前記焼結層の変形に伴って前記ベースプレートが変形できるように、当該ベースプレートを設置する、請求項２に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項4】

前記繰り返し工程は、
前記反りの大きさが前記所定の閾値より大きい場合には、前記造形温度Ｔ１を上昇させて継続され、
前記反りの大きさが前記閾値と一致する場合または前記閾値の範囲内である場合には、前記造形温度Ｔ１を変化させず継続され、
前記反りの大きさが前記所定の閾値より小さい場合には、前記造形温度Ｔ１を低下させて継続される、請求項１〜３のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元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積層し、この積層された材料粉体層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して所望の三次元造形物を生成する。

【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、ベース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、隣接する焼結層やベース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することにより、造形物の変形を抑制可能な積層造形装置および三次元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、ベースプレートおよび焼結層の形状、大きさ、または材料などに伴い、調整すべき最適な温度が異なる。そして、最適な温度を事前に予測することが難しいため、造形物の残留応力を制御して造形物の変形を緩和することができる最適な温度を設定することは、作業者にとって容易なことではない。

【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、温度調整により焼結層のマルテンサイト変態を制御する三次元造形物の製造方法において、温度調整をより容易に適正に行うことを目的とする。

【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とを繰り返すことによる繰り返し工程を備える三次元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することで前記材料粉体層を焼結して前記焼結層とし、前記冷却工程では、前記焼結層を冷却温度Ｔ２にまで冷却し、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）
前記繰り返し工程において少なくとも１回の反り測定工程を備え、前記反り測定工程では、前記焼結層の反り、又は前記焼結層の変形に伴って変形する部位の反りを測定し、前記繰り返し工程は、前記反りの大きさに応じて前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との差を変化させて継続される、三次元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、焼結層の形成に伴って発生する焼結体、あるいは焼結体の変形に伴って変形する焼結体と結合して一体化しているベースプレートのような部位の反りの大きさに基づいて焼結体の反りを抑制する最適な温度に設定して温度調整を行うため、作業者が知識と経験によって最適な温度を摸索して設定する負担を負うことがなく、より容易に三次元造形物の変形を緩和することができる適正な温度調整を行う事が可能となる。

【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、前記リコート工程では、前記材料粉体層はベースプレート上に形成され、前記製造方法は、前記焼結層形成工程の前に行う設置工程をさらに備え、前記設置工程では、前記焼結層の変形に伴って前記ベースプレートが変形できるように、当該ベースプレートを設置し、前記反り測定工程では、前記焼結層の変形に伴って変形する前記ベースプレートの反りを測定する。
好ましくは、前記設置工程では、前記ベースプレートの中央部を固定することにより、前記焼結層の変形に伴って前記ベースプレートが変形できるように、当該ベースプレートを設置する。
好ましくは、前記繰り返し工程は、前記反りの大きさが所定の閾値より大きい場合には、前記造形温度Ｔ１を上昇させて継続され、前記反りの大きさが所定の閾値より小さい場合には、前記造形温度Ｔ１を低下させて継続される。

【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】治具プレート７およびベースプレート３３を示す斜視図である。

【図8】治具プレート７およびベースプレート３３を示す平面図である。

【図9】図８におけるＡ−Ａ断面における断面図である。

【図10】ベースプレート３３と固定ボルト３７との位置関係を示す図である。

【図11】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12】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13】ベースプレート３３上に焼結体８１が形成された状態を示す図である。

【図14】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15】図１５Ａは冷却工程実施後のベースプレート３３上の焼結体８１の一例を示す図である。図１５Ｂは冷却工程実施後のベースプレート３３上の焼結体８１の一例を示す図である。

【図16】図１６Ａは反り測定工程後の上面層の温度変化の一例を示すグラフである。図１６Ｂは反り測定工程後の上面層の温度変化の他の例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形状を有する三次元造形物を生成する積層造形装置である。以下の説明では、造形完了後の所望の形状を有する焼結体８１と、その焼結体８１とベースプレート３３の少なくとも一部分とが一体で成る所望の形状を有する生成物を含んで、三次元造形物という。ただし、本発明において、焼結体８１は、複数の焼結層で形成されている造形途中の金属体を含むので、三次元造形物と焼結体８１とは、全く同じものではない。

【0015】

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。チャンバ１は、所要の造形領域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、焼結体８１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およびベースプレート３３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、焼結体８１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、スピンドルヘッド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、スピンドルヘッド６０を所望の位置に移動させる。

【0022】

スピンドルヘッド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８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造形温度、冷却温度、造形温度の順番で温度調整する温度調整装置９０を有する。なお、造形温度および冷却温度は温度調整装置９０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→Ｔ１'）、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１層から数十層の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８１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、冷却温度Ｔ２に冷却することによってオーステナイト相がマルテンサイト相へと変態していき、オーステナイト相の少なくとも一部分がマルテンサイト相になる。

【0030】

温度調整装置９０は、上面層を造形温度Ｔ１および冷却温度Ｔ２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９０は上面層を加熱可能な加熱器９２と、上面層を冷却可能な冷却器９３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によって温度調節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、ベースプレート３３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、材料粉体層８は温度調整装置９０によって造形温度Ｔ１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、本発明において、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】

（三次元造形物の製造方法）
図６〜図１６を用いて、上述した積層造形装置を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。なお、図６〜図１６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】

図７は、造形テーブル５上に載置される治具プレート７およびベースプレート３３を示す斜視図である。本発明の三次元造形物における製造方法では、図７に示すように、ベースプレート３３を治具プレート７に設置する設置工程が行われる。まず、治具プレート７の上にベースプレート３３が設置される。さらに、当該治具プレート７がその四隅において固定ボルト３５で造形テーブル５に固定される。本実施形態では、治具プレート７およびベースプレート３３は略正方形となる平面を備えるが、その例に限定されない。

【0041】

図８は、治具プレート７およびベースプレート３３を示す平面図である。図９は、図８におけるＡ−Ａ断面における断面図である。図８および図９に示されるように、設置工程において、ベースプレート３３は、固定ボルト３７によって治具プレート７に対して固定される。

【0042】

ベースプレート３３は、ベースプレート３３上に形成される焼結層の変形に伴って変形できるように、その中央部が治具プレート７に対して固定される。治具プレート７は、ベースプレート３３を変形可能に比較的容易に造形テーブル５に固定して設置することができるようにするために設けられている。ここで、本実施形態では、ベースプレート３３の周縁が上方向へ反る変形、および下方向へ反る変形を許容するように、図９に示すように治具プレート７の中央部に凸状部３４を設け、当該凸状部３４とベースプレート３３とを固定ボルト３７で固定する。

【0043】

ここで、変形するときに発生する強い力が固定している箇所に集中して作用し、あるいは外部からの力を受けることによってベースプレート３３の位置がずれてしまうおそれがあるので、ベースプレート３３を位置ずれが生じないように固定する必要がある。したがって、ベースプレート３３は、ベースプレート３３の位置ずれが生じない範囲で可能な限りベースプレート３３の中心に近い位置において可能な限り少ない１以上の箇所で治具プレート７に固定するのであれば、この態様に限定されない。

【0044】

図１０は、ベースプレート３３と固定ボルト３７との位置関係を示す。本実施形態では、材料粉体の材質はマルテンサイト系ステンレス鋼であり、ベースプレート３３の材質は、機械構造用炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）でサイズが１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２０ｍｍである。ただし、どの位置を何箇所で固定するかは、ベースプレート３３と材料粉体との材質、形状、サイズによって異なるため、この例に限定されない。

【0045】

図１０において、ベースプレート３３の重心Ｐから端部Ｑまでの長さをｒ１として示す。ここで端部とは、平面視において重心Ｐから最も離れたベースプレート３３の点を意味する。そして、ベースプレート３３の重心Ｐを中心とする円をＣＲとし、円ＣＲの半径をｒ２として示す。このとき、ｒ２／ｒ１≦０．７０となるように固定ボルト３７の位置を定める。ｒ２／ｒ１の値は、具体的には例えば、０．０５、０．１０、０．１５、０．２０、０．２５、０．３０、０．３５、０．４０、０．４５、０．５０、０．５５、０．６０、０．６５、０．７０であり、ここで例示した数値のいずれか２つの間の範囲内であってもよい。上記条件を満たす固定ボルト３７は１つであってもよいし、複数であってもよい。

【0046】

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。

【0047】

図１１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Ｒ上に材料粉体が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。

【0048】

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。

【0049】

次に、図１２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Ｒ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。

【0050】

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。

【0051】

図１３は、焼結層形成工程完了後において、ベースプレート３３上に焼結体８１が形成された状態を示す。ここで、造形テーブル５の温度および焼結体８１の温度は、造形温度Ｔ１となっている。

【0052】

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９０によって冷却工程が行われる。冷却工程では、造形テーブル５の温度を、造形温度Ｔ１から、造形温度Ｔ１よりも低い冷却温度Ｔ２に変更する。その結果、ベースプレート３３上の焼結体８１の上面層の温度もＴ２まで低下する。

【0053】

図１４は、焼結層形成工程および冷却工程における焼結体８１の上面層において、ベースプレート３３および焼結体８１の変形を緩和するための温度調整方法の一例を示すグラフである。図１４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Ｌ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Ｌの照射が完了すると、上面層の温度は造形テーブル５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。

【0054】

図１４に示されるように、造形テーブル５の温度を造形温度Ｔ１にしてから所定の時間経過して焼結体８１の温度が造形温度Ｔ１になった後に、冷却工程では、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ため、それに伴いベースプレート３３および焼結体８１の温度も低下する。そして焼結体８１の上面の温度が冷却温度Ｔ２になってから冷却温度Ｔ２の状態を所定の期間維持し、所定の期間中の冷却にともなう収縮によって発生する引張応力を相殺するようなマルテンサイト変態にともなう膨張による反力を発生させる。冷却工程完了後、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。

【0055】

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）
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、マルテンサイト変態にともなって体積が膨張する。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。ここで、変態量（＝膨張量）は、造形温度Ｔ１と冷却温度Ｔ２との温度差に依存する。理論的に、冷却時の造形温度Ｔ１と冷却温度Ｔ２との温度差が大きいほど膨張量は多くなる。

【0056】

図１５は、冷却工程実施後のベースプレート３３上の焼結体８１を示す図である。図１５Ａに示す例では、ベースプレート３３は周端が上方に反るように変形している。冷却工程において、上面層はマルテンサイト変態の進行による体積膨張とともに、冷却による収縮が発生する。そして、冷却による収縮量がマルテンサイト変態による体積膨張量を上回ると、図１５Ａに示すように焼結体８１の上面層は収縮し、それに伴いベースプレート３３も周端が上方に反るように変形する。

【0057】

それに対して、図１５Ｂに示す例では、ベースプレート３３は周端が下方に反るように変形している。冷却工程において、マルテンサイト変態の進行による体積膨張量が冷却による収縮量を上回ると、図１５Ｂに示すように、焼結体８１の上面層は膨張し、それに伴いベースプレート３３も周端が下方に反るように変形する。

【0058】

このように、マルテンサイト変態による体積膨張は、焼結層の体積および形状、冷却時の温度差などにより変化するため、収縮を抑制するための最適な温度設定を予測することは難しく、作業者が初期に設定した造形温度Ｔ１と冷却温度Ｔ２で温度調整すると、しばしば、冷却工程後に焼結体８１およびベースプレート３３にこのような反りが発生する。以下の説明では、図１５Ａのようにベースプレート３３の周端が上方に反るような変形を「正反り方向の変形」、図１５Ｂのようにベースプレート３３の周端が下方に反るような変形を「逆反り方向の変形」とも記載する。

【0059】

本実施形態では、焼結層形成工程と冷却工程とを繰り返すことによる繰り返し工程において、少なくとも１回の反り測定工程を実施する。反り測定工程では、焼結層の反り、又は焼結層の変形に伴って変形するベースプレート３３のような焼結体８１と結合して一体化している部位の反りを測定する。

【0060】

本実施形態における反り測定工程では、冷却工程の終盤にベースプレート３３の反りの大きさを、正反り方向への変形量を正の値とし、逆反り方向への変形量を負の値として測定する。測定方法としては、冷却工程実施前のベースプレート３３について基準面（例えば、底面）を設定し、冷却工程実施後にベースプレート３３の底面端部の基準面からの変位量を測定しても良い。または、ベースプレート３３の基準面（例えば、底面）の冷却工程の前後における曲率の変化を測定しても良い。より具体的には、例えば、加工ヘッド５７にタッチプローブあるいはポイントマスタのような測定子を取り付けておき、予め設定されているプログラムに従って測定子を予め決められている所定の位置まで移動させ、ベースプレート３３の上面に当接させて測定データを取得し、冷却工程の実施後に発生した反り量を得て自動的に温度調整をするようにすることができる。

【0061】

反り測定工程実施後、測定された反りの大きさに応じて反り量が小さくなる方向に前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との差を変化させて、焼結層形成工程および冷却工程を繰り返す。本実施形態では、測定した反りの大きさと予め定められた閾値とを比較する。測定した反りの大きさが当該閾値より大きい場合には、造形温度Ｔ１を上昇させて、後続の焼結層形成工程を行う。また、反りの大きさが当該閾値より小さい場合には、造形温度Ｔ１を低下させて、後続の焼結層形成工程を行う。ここで、測定した反りの大きさが大きいほどＴ１をより上昇させ、測定した反りの大きさが小さいほどＴ１をより低下させるのが好ましい。

【0062】

ここで、閾値はゼロ（すなわち、反り量がゼロ）としてもよいし、ゼロを含めるように特定の負の値から特定の正の値までの範囲をもって規定してもよい。

【0063】

図１６Ａに、反りの大きさが閾値より大きい場合（すなわち、正反り方向の変形）の上面層の温度変化を示す。このように、造形温度Ｔ１を反り測定工程実施前のｔ１ａより高いｔ１ｂに設定することにより、反り測定工程実施後の冷却工程における造形温度と冷却温度との温度変化の差が大きくなり、マルテンサイト変態量を増加させることが可能となる。その結果、焼結体８１の上面層の体積膨張量が多くなり、正反り方向の変形を小さくすることが可能となる。

【0064】

図１６Ｂに、反りの大きさが閾値より小さい場合（すなわち、逆反り方向の変形）の上面層の温度変化を示す。このように、造形温度Ｔ１を反り測定工程実施前のｔ１ａより低いｔ１ｃに設定することにより、冷却工程における温度変化の差が小さくなり、マルテンサイト変態量を減少させることが可能となる。その結果、焼結体８１の上面層の体積膨張量が少なくなり、逆反り方向の変形を小さくすることが可能となる。

【0065】

反りの大きさが閾値と一致する場合（または閾値の範囲内の場合）は、マルテンサイト変態にともなう体積膨張による変形と、冷却にともなう収縮による変形とが所望の均衡をしていると考えられる。この場合、造形温度Ｔ１を変化させることなく、焼結層形成工程および冷却工程を繰り返す。造形温度Ｔ１のみを変更する実施形態によると、焼結工程後に造形温度Ｔ１まで温度を低下させる時間が不必要に長くならないようにできるとともに、冷却温度Ｔ２を積層造形装置の周囲の環境温度に合わせたまま一定にしておくことができるので、その後の焼結体８１の継続的な変形と積層造形装置の変位を抑制する上で有効である。

【0066】

以上のようにして、本実施形態では、焼結層の冷却に伴って発生する焼結層の収縮または膨張などの変形に伴って変形するベースプレート３３の反りの量に基づいて、冷却工程における温度設定を行うため、マルテンサイト変態による膨張量を制御することが可能となり、冷却による収縮を抑制した形で三次元造形物を形成することが可能となる。
＜他の実施の形態＞

【0067】

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、ベースプレート３３の固定方法は、中央部に限定されない。焼結体８１の変形に伴い、ベースプレート３３が変形するような形態であればよく、たとえば、中心線上を固定するような形態でもよい。すでに言及されているが、ベースプレート３３と焼結体８１とを含む三次元造形物の全体に作用する応力が解放されるように変形を許容しながら、ベースプレート３３が位置決めされている位置から移動してずれないようにベースプレート３３が固定されていることが重要である。

【0068】

本発明の三次元造形物の製造方法においては、ベースプレート３３を用いずに、造形テーブル５上に直接材料粉体を供給し、焼結層を形成してもよい。ただし、造形テーブル５から焼結層が移動してずれないように支持する手段を設ける必要がある。この場合、ベースプレート３３ではなく、焼結体８１の反りの大きさを測定することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。あるいは、本発明の三次元造形物の製造方法においては、例えば、測定のためのダミーの焼結体を形成し、ベースプレート３３または焼結体８１以外の物体で反り量を測定するように変形することができる。

【0069】

また、上記実施形態では反り測定工程で測定した反りの大きさに基づいて、造形温度Ｔ１のみを変更しているが、冷却温度Ｔ２のみを変更するようにしてもよい。冷却温度Ｔ２のみを変更するようにした場合は、冷却温度Ｔ２を積層造形装置の環境温度の変化に合わせて設定できる点で有効である。また、冷却温度Ｔ２を２０℃から２５℃程度の常温の環境温度よりも低い温度に設定することができ、三次元造形物を常温よりも低温の環境で保管するときに、残留オーステナイト相のマルテンサイト変態にともなう三次元造形物の継続的な変形をより小さく抑えることができる点で有益である。または、造形温度Ｔ１と冷却温度Ｔ２との両方の設定温度を変更するようにしてしてもよい。造形温度Ｔ１と冷却温度Ｔ２を同時に変更するようにした場合は、造形温度Ｔ１と冷却温度Ｔ２の何れか一方の設定温度のみを変更する場合における利点を所要の範囲内で選択的に得ることができる利点がある。

【0070】

また、反り測定工程は、焼結層形成工程と冷却工程とを繰り返す中で１回以上であればよい。すなわち、最初の冷却工程の完了後に実施してもよく、または、冷却工程が完了するたびに実施してもよい。とりわけ、１回目の反り測定工程において、反り量が予め定められた所定の許容範囲量に収まっていて、しかもその後に反り量の変動が殆ど生じないことがわかっている積層造形の形態である場合は、それ以上反り測定工程を実施する必要がないと言える。ただし、反り測定工程の頻度を増やすほど、より正確にマルテンサイト変態による膨張量を制御することが可能であることに変わりはない。

【0071】

具体的には、反り測定工程を繰り返して造形温度Ｔ１の上昇、および低下を繰り返すことにより、造形温度Ｔ１は最適な温度に収束していく。ここで、反り測定工程をより具体的にどのように行うかについては、例えば、予め反り測定工程を造形プログラムの中にプログラムしておき、自動的に決められたタイミングで反り測定工程を実施するようにしておくことができる。あるいは、反り量の許容範囲量または造形温度Ｔ１の温度変化量を予め定めておき、所定の層数の焼結層を形成する毎に反り測定工程を実施し、反り測定工程で測定される反り量が予め定められた許容範囲量よりも小さくなった場合、または、造形温度Ｔ１の温度変化量が予め定められた許容範囲量よりも小さくなった場合に、それ以降の反り測定工程を行う頻度を減らしてもよく、または、その後の反り測定工程を行わないようにしてもよい。

【0072】

また、上記実施形態では、冷却工程の終盤において反り測定工程を実施しているが、この態様に限定されない。たとえば、冷却工程において上面層の温度が冷却温度Ｔ２となったときに、反り測定工程を実施するようにしてもよく、あるいは、冷却工程の期間中に継続して反りを測定し続けておき、反り量が０になったときに冷却工程を終了するように反り測定工程を実施することもできる。

【0073】

また、本実施形態のように切削装置５０を備える積層造形装置においては、所定数の焼結層を形成する度に、焼結層の端面に対して、スピンドルヘッド６０に装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施してもよい。

【0074】

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Ｔ１および冷却温度Ｔ２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節を行うことができる。

【符号の説明】

【0075】

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
９ ：温度調整装置
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
３５ ：固定ボルト
３７ ：固定ボルト
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 ：スピンドルヘッド
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

【要約】      （修正有）

【課題】温度調整により焼結層のマルテンサイト変態を制御する三次元造形物の製造方法において、温度調整をより容易に適正に行う製造方法を提供する。
【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、その後の冷却工程では、焼結層を冷却温度Ｔ２にまで冷却し、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）から式（３）、式（１）：Ｔ１≧Ｍｆ、（２）式：Ｔ１＞Ｔ２、（３）式：Ｔ２≦Ｍｓ、の関係を全て満たし、繰り返し工程において少なくとも１回の反り測定工程を備え、反り測定工程では、焼結層の反り、又は焼結層の変形に伴って変形する部位の反りを測定し、反りの大きさに応じて前記造形温度Ｔ１と前記冷却温度Ｔ２との差を変化させて継続する製造方法。
【選択図】図１６

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】