特許 6827553 金属造形物の製造装置、金属造形物の製造方法、及び金属粉末回収方法

(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】6827553

(24)【登録日】2021年1月21日

(45)【発行日】2021年2月10日

(54)【発明の名称】金属造形物の製造装置、金属造形物の製造方法、及び金属粉末回収方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/105 20060101AFI20210128BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20210128BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20210128BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20210128BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20210128BHJP

【ＦＩ】

   B22F3/105

   B22F3/16

   B33Y10/00

   B33Y30/00

   B33Y40/20

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2019-545111(P2019-545111)

(86)(22)【出願日】2018年9月25日

(86)【国際出願番号】JP2018035352

(87)【国際公開番号】WO2019065591

(87)【国際公開日】20190404

【審査請求日】2019年11月15日

(31)【優先権主張番号】特願2017-188393(P2017-188393)

(32)【優先日】2017年9月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山口 祐典

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 豊幸

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 智章

(72)【発明者】

【氏名】天野 宏紀

【審査官】 山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０５６４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２４９８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９３８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−００１９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７５０１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２９Ｃ ６４／００−６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形ステージが有する造形槽に充填された金属粉末の表層にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する装置であって、
前記エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域であり、かつ、未焼結の金属粉末であって前記エネルギー線の熱影響を受けて変性した金属粉末が充填されている領域である第２の領域を、前記金属粉末の材質、前記金属粉末の金属粒子の粒子径、前記層の厚さ、前記エネルギー線の出力値及び前記エネルギー線のスポット径からなる群から選ばれる少なくとも一つ以上の情報に基づいて算出する算出機構と、
前記算出機構が算出する前記第２の領域に含まれる変性した金属粉末を前記造形槽から除去する除去機構とを備えることを特徴とする、金属造形物の製造装置。

【請求項2】

前記除去機構が、前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽の上方から吸引して除去する吸引部を備える、請求項１に記載の金属造形物の製造装置。

【請求項3】

前記造形槽に金属粉末を供給する供給機構を備える、請求項１又は２に記載の金属造形物の製造装置。

【請求項4】

造形ステージが有する造形槽に充填された金属粉末の表層にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する方法であって、
前記エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域であり、かつ、未焼結の金属粉末であって前記エネルギー線の熱影響を受けて変性した金属粉末が充填されている領域である第２の領域を、前記金属粉末の材質、前記金属粉末の金属粒子の粒子径、前記層の厚さ、前記エネルギー線の出力値及び前記エネルギー線のスポット径からなる群から選ばれる少なくとも一つ以上の情報に基づいて算出し、
算出した前記第２の領域に含まれる変性した金属粉末を前記造形槽から除去することを特徴とする、金属造形物の製造方法。

【請求項5】

前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽の上方から吸引して除去する、請求項４に記載の金属造形物の製造方法。

【請求項6】

金属粉末を除去した後に、前記造形槽に金属粉末を供給する、請求項４又は５に記載の金属造形物の製造方法。

【請求項7】

造形ステージが有する造形槽に充填された金属粉末の表層にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する際に前記金属造形物の造形に用いられなかった金属粉末を、回収する方法であって、
前記エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域であり、かつ、未焼結の金属粉末であって前記エネルギー線の熱影響を受けて変性した金属粉末が充填されている領域である第２の領域を、前記金属粉末の材質、前記金属粉末の金属粒子の粒子径、前記層の厚さ、前記エネルギー線の出力値及び前記エネルギー線のスポット径からなる群から選ばれる少なくとも一つ以上の情報に基づいて算出し、
算出した前記第２の領域に含まれる変性した金属粉末を前記造形槽から除去することを特徴とする、金属粉末回収方法。

【請求項8】

前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽の上方から吸引して除去する、請求項７に記載の金属粉末回収方法。

【請求項9】

金属粉末を除去した後に、前記造形槽に金属粉末を供給する、請求項７又は８に記載の金属粉末回収方法。

【請求項10】

金属造形物が完成した後に、前記第２の領域に含まれる金属粉末を除去し、前記造形槽に残留する金属粉末を回収する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の金属粉末回収方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属造形物の製造装置、金属造形物の製造方法、及び金属粉末回収方法に関する。

【背景技術】

【0002】

Additive Manufacturingと称される付加製造技術がある。付加製造技術は任意の形状の構造物を短時間で製造できるため、航空機産業及び医療等の先端技術分野で有望な技術として注目されている。

【0003】

付加製造技術を利用する製造装置の一例として、造形ステージが有する造形槽に充填された金属粉末にレーザー等のエネルギー線を照射する３Ｄ金属プリンターが知られている。３Ｄ金属プリンターは、エネルギー線の照射による金属の層の造形と、造形した金属の層の積層とを繰り返し、任意の形状の金属造形物を製造する。完成した金属造形物は、金属造形物の周囲にある未焼結の金属粉末が除去された後に、造形槽から取り出される。

【0004】

完成した金属造形物の周囲にある金属粉末は、エネルギー線の照射にともなう熱影響を受けて変性している。金属粉末がエネルギー線による熱影響を受けると、ヒューム及びスパッタ等の不純物、金属粒子の凝集物が生じることが知られている。そこで、３Ｄ金属プリンターに関する技術分野では、熱影響を受けた金属粉末を回収する技術、回収した金属粉末を再利用するために、熱影響を受ける前の状態に金属粉末を再生する技術が開発されている（特許文献１，２）。

【0005】

特許文献１は複数の開口を含むふるいを用いて、良好な粉末を収納チャンバの中にふるいわける付加製造装置を開示している。
特許文献２は粉末の母材料の化学組成を決定し、粉末を乾燥した保護遮蔽ガス雰囲気下のみで保管及びアトマイズし、特定の元素の含有量を調整する技術を開示している。特許文献２に記載の技術によれば、回収した金属粉末から熱影響を受けた金属粉末を選別し、熱影響を受ける前の状態に金属粉末を再生できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７−３０３５３号公報

【特許文献2】特開２０１７−８２３２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

一般の３Ｄ金属プリンターでは、金属粉末及び金属造形物中に金属粒子の酸化物が生成しないように、シールドガスと呼ばれる不活性ガスの存在下で金属粉末が焼結される。
ところが、本発明の発明者らは、エネルギー線の照射にともなう熱影響によって、金属粉末がわずかに酸化され、ヒューム及びスパッタ等のほか、金属粒子の酸化物が未焼結の金属粉末に混入していることを知見した。より具体的には、大気中の僅かな水分が金属粒子に付着したままエネルギー線を照射することで、金属粉末が熱影響を受けて酸化している可能性が示唆された。

【0008】

しかしながら、特許文献１に記載の装置のように従来の３Ｄ金属プリンターは、金属造形物が完成した後に熱影響を受けた金属粉末を回収している。そのため、従来の３Ｄ金属プリンターでは、エネルギー線の照射の度に不純物並びに金属粒子の凝集物及び酸化物が生じ、造形途中の金属造形物の周囲の金属粉末に生じた不純物等が混入したまま金属造形物が製造される。このように、不純物並びに金属粒子の凝集物及び酸化物が金属粉末中に蓄積し、混入したまま金属造形物を製造すると、完成する金属造形物の靱性、割れにくさ（すなわち耐割れ性）等の機械的物性が低下するとともに、金属造形物の表面のなめらかさが損なわれ、外観の意匠性が低下する。

【0009】

さらに、特許文献２に記載の技術のように特殊な技術を利用して金属粉末を再生するには、回収した金属粉末を特殊な技術を保有する業者又は工場に委託して再生してもらう必要がある。また、従来の３Ｄ金属プリンターでは、熱影響を受けた金属粉末とともに熱影響を受けていない金属粉末を回収しているため、金属粉末の回収量が多い。このように、従来の方法で回収した金属粉末の再生は、時間とコスとを必要とし、経済的でなく、簡便でない。

【0010】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、機械的物性及び外観の意匠性に優れる金属造形物を製造できる製造装置及び製造方法；熱影響を受けていない粉末の再利用を簡便に行うことができる金属粉末回収方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 造形ステージが有する造形槽に充填された金属粉末の表層にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する装置であって、
前記エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域を算出する算出機構と、前記算出機構が算出する前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽から除去する除去機構とを備えることを特徴とする、金属造形物の製造装置。
［２］ 前記除去機構が、前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽の上方から吸引して除去する吸引部を備える、［１］の金属造形物の製造装置。
［３］ 前記造形槽に金属粉末を供給する供給機構を備える、［１］又は［２］の金属造形物の製造装置。
［４］ 造形ステージが有する造形槽に充填された金属粉末の表層にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する方法であって、前記エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域を算出し、算出した前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽から除去することを特徴とする、金属造形物の製造方法。
［５］ 前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽の上方から吸引して除去する、［４］の金属造形物の製造方法。
［６］ 金属粉末を除去した後に、前記造形槽に金属粉末を供給する、［４］又は［５］の金属造形物の製造方法。
［７］ 造形ステージが有する造形槽に充填された金属粉末の表層にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する際に前記金属造形物の造形に用いられなかった金属粉末を、回収する方法であって、前記エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域を算出し、算出した前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽から除去することを特徴とする、金属粉末回収方法。
［８］ 前記第２の領域に含まれる金属粉末を前記造形槽の上方から吸引して除去する、［７］の金属粉末回収方法。
［９］ 金属粉末を除去した後に、前記造形槽に金属粉末を供給する、［７］又は［８］の金属粉末回収方法。
［１０］ 金属造形物が完成した後に、前記第２の領域に含まれる金属粉末を除去し、前記造形槽に残留する金属粉末を回収する、［７］〜［９］のいずれかの金属粉末回収方法。

【発明の効果】

【0012】

本発明の金属造形物の製造装置及び金属造形物の製造方法によれば、機械的物性及び外観の意匠性に優れる金属造形物を製造できる。
本発明の金属粉末回収方法によれば、熱影響を受けていない粉末の再利用を簡便に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明を適用した一実施形態の金属造形物の製造装置の構成の一例を示す模式図である。

【図2】図１の金属造形物の製造装置が備える吸引部の動作の一例を説明するための模式図である。

【図3】本発明を適用した一実施形態の金属造形物の製造方法を説明するための模式図である。

【図4】本発明を適用した一実施形態の金属造形物の製造方法を説明するための断面図である。

【図5】実施例における金属粉末中の酸素含有量の測定結果である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本明細書において、金属造形物の製造装置とは、金属粉末にエネルギー線を照射して金属の層を造形し、造形された金属の層を積層して金属造形物を製造する装置を意味する。本明細書において、金属造形物の製造装置を「製造装置」と省略して記すこともある。
金属造形物の製造装置は、エネルギー線を照射することにより、金属粉末を焼結して又は溶融固化させて、金属の層を造形し、造形された層を積層する。

【0015】

本明細書において、「金属粉末を焼結等する」と記載した場合、金属粉末を焼結すること又は金属粉末を溶融固化させることを意味する。なお、金属粉末を焼結等して造形される金属の層を単に、「焼結層」とも記すことがある。

【0016】

本明細書において、金属粉末の「変性」とは、エネルギー線の照射の前後における金属粉末の物理的性質及び化学的性質の変化を意味する。金属粉末の物理的性質及び化学的性質の変化としては、ヒューム及びスパッタ等の不純物が金属粉末に混入していること、金属粉末の金属粒子同士が凝集して凝集物が発生していること、金属粒子の酸化物が生成していること等が例示される。

【0017】

本明細書において、シールドガスとは、金属粉末を焼結等する際に、金属粉末の周囲の酸素ガス濃度を低減すること等を目的として金属粉末の周囲に供給されるガスを意味する。

【0018】

以下、本発明を適用した一実施形態に係る金属造形物の製造装置、金属造形物の製造方法及び金属粉末回収方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0019】

［金属造形物の製造装置］
まず、本実施形態の金属造形物の製造装置２０の構成について説明する。
図１は、製造装置２０の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように製造装置２０は、レーザー発振器１と、光学系２と、造形部３と、演算部（算出機構）４とを備える。
以下に金属造形物の製造装置２０の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

【0020】

レーザー発振器１は、造形部３内の金属粉末Ｍにエネルギー線の一例であるレーザーＬを照射できる形態であれば特に限定されない。レーザー発振器１は光学系２を経由させて、レーザーＬを造形部３内の金属粉末Ｍに照射する。また、レーザー発振器１は、演算部４にあらかじめ入力されたデータに従って、レーザーの照射と停止とを切り替える。これにより製造装置２０は金属粉末Ｍを焼結等でき、レーザーＬの描画線に沿って任意の形状に金属の層を造形できる。

【0021】

光学系２はレーザー発振器１から照射されるレーザーＬを反射できる形態であれば特に限定されない。光学系２は、例えば一以上の反射鏡で構成できる。

【0022】

造形部３は金属粉末Ｍを焼結等して金属粉末Ｍの焼結層を造形し、焼結層を積層するための筐体である。製造装置２０は、演算部４にあらかじめ入力されたデータにしたがって造形部３を制御することで、金属粉末Ｍに照射されるレーザーＬの位置を制御し、任意の形状の金属の層を造形できる。
図１に示すように造形部３は、造形ステージ１０と、除去機構５とを収容している。

【0023】

造形ステージ１０は、焼結層の造形と造形した焼結層の積層とを繰り返すための場である。造形ステージ１０は、供給槽１１と、造形槽１２と、リコーター１５と、凹部１６とを有している。

【0024】

供給槽１１は未変性の金属粉末Ｍを貯蔵するとともに、未変性の金属粉末Ｍを造形槽１２に供給するための槽である。供給槽１１には図示略の金属粉末の供給源から供給される金属粉末Ｍが敷き詰められている。
供給槽１１の底面は、第１の昇降台１３に支持されている。第１の昇降台１３は、図中上方向に移動可能である。これにより、供給槽１１の底面は図中上方向に移動できる。

【0025】

造形槽１２は造形用の金属粉末Ｍが充填されるとともに、金属造形物Ｘの造形を行うための槽である。造形槽１２には供給槽１１から供給された未変性の金属粉末Ｍが敷き詰められている。また、造形槽１２に充填された金属粉末Ｍの表層では造形途中の金属造形物Ｘが形成されている。
造形槽１２の底面は、第２の昇降台１４に支持されている。第２の昇降台１４は、図中下方向に移動可能である。これにより、造形槽１２の底面は図中下方向に移動できる。

【0026】

リコーター１５は、供給槽１１に貯蔵された金属粉末Ｍを造形槽１２に供給するとともに、供給槽１１及び造形槽１２の上面を造形ステージ１０の上面と均一にする。
リコーター１５は造形ステージ１０の上面に沿って、図１中の水平方向に移動可能である。リコーター１５の先端１５ａは、造形ステージ１０の上面と接している。そのため、リコーター１５が図１中の左方向に移動すると、造形ステージ１０の上面にある金属粉末が図１中の左方向に搬送されるとともに、供給槽１１及び造形槽１２の上面が造形ステージ１０の上面と均一になる。

【0027】

このように製造装置２０では、造形槽１２に未変性の金属粉末Ｍを供給する供給機構が、図示略の金属粉末の供給源と、供給槽１１と、第１の昇降台１３と、リコーター１５とを備えて構成されている。これにより、製造装置２０は、造形槽１２に未変性の金属粉末Ｍを充填できる。

【0028】

凹部１６は、造形ステージ１０の上面に設けられている。凹部１６には、造形槽１２に供給されなかった金属粉末Ｍの残りが貯留される。

【0029】

造形部３は、図示略のシールドガス供給部と接続されている。シールドガス供給部は、造形部３内にシールドガスを供給して、造形部３内から残留している酸素ガスを当該シールドガスでパージできる形態であれば特に限定されない。造形部３がシールドガス供給部と接続されていることにより、金属粉末Ｍが酸化しにくくなり、金属粉末Ｍの変性を防止しやすくなる。そのため、金属構造物Ｘの機械的物性がさらに向上し、金属造形物Ｘの形状の劣化がさらに低減される。

【0030】

金属粉末Ｍとしては、カーボン、ホウ素、マグネシウム、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、モリブテン、コバルト、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、チタン、アルミニウム等の各種の金属及びこれらの合金の粉末が例示される。
金属粉末Ｍの金属粒子の粒径としては、１０〜２００μｍ程度とすることができる。

【0031】

除去機構５は、演算部４が算出する領域Ｓ（図２参照）に含まれる金属粉末Ｍを造形槽１２から除去する。領域Ｓについては後述する。図１に示すように除去機構５は、演算部４と電気的に接続される制御部６と、制御部６の上面に設けられた第１の可動部７と、第１の可動部７に接続される第２の可動部８と、第２の可動部８に接続されるとともに、金属粉末Ｍを吸引する吸引部９とを備える。

【0032】

制御部６は、第１の可動部７の動作と、第２の可動部８の動作と、吸引部９の動作とをそれぞれ制御する。制御部６は、第１の可動部７と、第２の可動部８と、吸引部９とそれぞれ電気的に接続されている。これにより制御部６は、第１の可動部７と、第２の可動部８と、吸引部９とにそれぞれ電気的に指示信号を送信できる。

【0033】

第１の可動部７は、第１の端部が制御部６の上面と接続され、第２の端部が、第２の可動部８の第１の端部と接続されている。第１の可動部７は、制御部６から電気的に送信される指示信号に従って、動作できる。第１の可動部７の動作は、吸引部９が造形槽１２に充填されている金属粉末Ｍの上方を移動できる態様であれば特に限定されない。

【0034】

第２の可動部８は、第１の端部が第１の可動部７の第２の端部と接続され、第２の端部が吸引部９と接続されている。第２の可動部８は、制御部６から電気的に送信される指示信号に従って、動作できる。第２の可動部８の動作は、吸引部９が造形槽１２に充填されている金属粉末Ｍの上方を移動できる態様であれば特に限定されない。

【0035】

吸引部９は、金属粉末を吸引できる形態であれば特に限定されない。
図２は、吸引部９の動作の一例を説明するための模式図である。図２に示すように、吸引部９は、図２中の両矢印で示す向きに沿って、領域Ｓの上方の空間を移動する。吸引部９は、領域Ｓに含まれる金属粉末Ｍを造形ステージ１０の上方から吸引して除去する。これにより除去機構５が金属造形物Ｘと接触せずに領域Ｓに含まれる金属粉末Ｍを造形槽１２から除去できるため、金属造形物Ｘの破損及びキズの発生が低減される。

【0036】

図２に示すように、領域Ｓは、レーザーＬが照射される第１の領域の周囲の領域（第２の領域）である。焼結層Ｗは、レーザーＬの照射によって金属粉末Ｍが焼結等している金属の層である。焼結層Ｗは、第１の領域に含まれている。ここで、レーザーＬの照射による金属粉末Ｍの焼結は、焼結層Ｗの周囲の金属粉末Ｍに熱影響を与えてしまう。そのため焼結層Ｗの周囲の領域Ｓ、すなわち第２の領域には、未焼結の金属粉末ＭであってレーザーＬの熱影響を受けて変性した金属粉末Ｍが充填されている。
本実施形態の金属造形物の製造装置２０によれば、除去機構５が領域Ｓから金属粉末Ｍを除去することにより、造形槽１２に充填されている金属粉末Ｍから変性した金属粉末Ｍを排除できる。

【0037】

演算部４（図１参照）は、レーザー発振器１と電気的に接続されている。これにより、レーザーＬの出力値、レーザーＬのスポット径等の情報が演算部４に送信される。
演算部４は、レーザーＬが照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域、すなわち領域Ｓを算出する。演算部４は、金属粉末Ｍの材質、金属粉末Ｍの金属粒子の粒子径、金属粉末Ｍの焼結層の厚さ、レーザーＬの出力値、レーザーＬのスポット径等の情報に基づいて、領域Ｓを算出する。領域ＳはレーザーＬが照射された後に、レーザーＬの熱に起因して変性している金属粉末が存在すると演算部４によって予測される領域である。
演算部４としてはシーケンサー、ＣＰＵ、入力機器、出力機器等が例示される。

【0038】

演算部４は、制御部６と電気的に接続されている。これにより、演算部４は領域Ｓに関する位置情報を制御部６に送信できる。制御部６は、前記位置情報に基づいて、第１の可動部７及び第２の可動部８の少なくとも一方に指示信号を与える。これにより、吸引部９が、領域Ｓに充填されている金属粉末の上方を移動できる。

【0039】

以上の構成を備える製造装置２０は、造形槽１２に充填された金属粉末ＭにレーザーＬを照射して金属の層を造形する。また、製造装置２０は造形部３内で造形した金属の層を、造形部３内で積層する。製造装置２０は、金属粉末Ｍを焼結等して造形ステージ１０上に焼結層を任意の形状に造形する操作と、造形した焼結層を積層する操作とを、造形部３で繰り返すことで、任意の形状の三次元構造を有する金属造形物Ｘを製造する。

【0040】

以上説明した本実施形態の金属造形物の製造装置によれば、エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域を算出する算出機構と、算出機構が算出する第２の領域に含まれる金属粉末を造形槽から除去する除去機構とを備えるため、造形槽に充填された金属粉末に、変性した金属粉末が混入しにくい。よって、本実施形態の金属造形物の製造装置は、変性した金属粉末の量が低減された金属粉末に、エネルギー線を照射して金属の層を造形し、金属の層を積層して金属造形物を製造するため、機械的物性及び外観の意匠性に優れる金属造形物を製造できる。

【0041】

［金属造形物の製造方法］
以下、本実施形態の金属造形物の製造方法について説明する。
本実施形態の金属造形物の製造方法は、上述した構成を備える金属造形物の製造装置２０を用いた金属造形物の製造方法である。以下図３を参照して、本実施形態の金属造形物の製造方法について具体的に説明する。

【0042】

図３は本実施形態の金属造形物の製造方法を説明するための模式図である。なお、簡略化のため、図３では演算部４の図示を省略する。
まず、図３中（ｉ）で示す状態では製造装置２０が演算部４にあらかじめ入力されたデータにしたがい、造形槽１２に充填された金属粉末ＭにレーザーＬを照射している。レーザーＬが照射されると、レーザーＬが照射された部分の金属粉末Ｍが焼結等され、焼結層がレーザーＬの描画線に沿って任意の形状に造形される。

【0043】

図３中（ｉ）に示す状態では、製造装置２０は、造形槽１２に充填されている金属粉末Ｍであって、造形途中の金属造形物Ｘより上部に敷き詰められている金属粉末Ｍを焼結等して焼結層を造形する。製造装置２０は、前記焼結層をレーザーＬの熱を利用し、焼結層を造形するとともに、造形途中の金属造形物Ｘの上に積層する。

【0044】

レーザーＬの照射に際しては、造形部３内にシールドガスを供給して、造形部３内に残留している酸素ガスをシールドガスでパージすることが好ましい。これにより、金属構造物Ｘの機械的物性をさらに高め、形状の劣化をさらに防止できる。造形部３内の酸素ガスの濃度が０．８％以下になるまでパージを行うことが好ましい。造形部３内の酸素ガスの濃度が０．８％以下であると、金属粉末Ｍが酸化しにくく、金属粉末Ｍの変質を防止しやすい。

【0045】

次に、図３中（ｉｉ）で示す状態では、製造装置２０がレーザーの熱によって変性した金属粉末を除去している。
本実施形態の金属造形物の製造方法では、レーザーＬが照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域、すなわち変性した金属粉末が充填されている造形槽１２上の領域を演算部４（図１参照）が算出する。前記領域の算出は、金属粉末Ｍの材質、金属粉末Ｍの金属粒子の粒子径、金属粉末Ｍの焼結層の厚さ、レーザーＬの出力値、レーザーＬのスポット径等の情報に基づいて行うことができる。

【0046】

本実施形態の金属造形物の製造方法では、演算部４が算出した第２の領域に含まれる金属粉末を除去する。前記領域に含まれる金属粉末は、レーザーの熱によって変性している。そのため、前記領域に含まれる金属粉末を造形槽１２から除去することにより、造形槽１２に充填されている金属粉末Ｍから変性した金属粉末を排除できる。
変性した金属粉末を除去するに際しては、吸引部９によって、造形ステージの上方から金属粉末を吸引して除去する。このように、吸引を金属造形物Ｘと非接触的に行うことにより金属造形物Ｘの破損及びキズの発生が低減される。

【0047】

次に、図３中（ｉｉｉ）で示す状態では、製造装置２０は第１の昇降台１３を上方向に移動させるとともに、第２の昇降台１４を下方向に移動させている。これにより、供給槽１１に貯蔵されている金属粉末Ｍの上面が造形ステージ１０の上面より上方に移動し、造形槽１２に充填されている金属粉末Ｍの上面が造形ステージ１０の上面より下方に移動する。
ここで、造形槽１２への金属粉末Ｍの供給量は、第１の昇降台１３の上方への移動距離によって決定される。そのため造形槽１２の金属粉末Ｍの充填量に応じて、前記上昇距離を調節することが好ましい。

【0048】

次に、図３中（ｉｖ）で示す状態では、製造装置２０がリコーター１５を図１に示す位置から、凹部１６の付近の位置まで移動させている。
供給槽１１に貯蔵されている金属粉末Ｍは、未変性の金属粉末である。造形ステージ１０の上面より上方に位置する金属粉末Ｍは、造形ステージ１０上でリコーター１５の先端１５ａによって、造形槽１２に搬送されて供給される。この際、金属粉末Ｍの上面が造形ステージ１０の上面と一致するように、金属粉末Ｍの上面がリコーター１５の先端１５ａによって平坦化され、金属粉末Ｍが造形槽１２に敷き詰められる。
このようにして本実施形態の金属造形物の製造方法では、演算部４が算出した造形槽１２の領域に含まれる金属粉末を造形槽１２から除去した後に、造形槽１２に未変性の金属粉末を供給する。

【0049】

図３中（ｉｖ）で示す状態では、未変性の金属粉末Ｍがリコーター１５によって凹部１６に向かって搬送されている。その結果、凹部１６には、供給槽１１から造形槽１２に敷き詰めることができなかった未変性の金属粉末のみが貯留される。

【0050】

製造装置２０は、図３中（ｉｖ）で示す状態から（ｉ）で示す状態に戻り、造形途中の金属造形物Ｘの上方に敷き詰められている金属粉末ＭをレーザーＬの照射によって焼結等して金属の層を積層する。そのため、金属粉末Ｍの焼結層の厚さは、すでに造形した焼結層の上方にある未焼結の金属粉末Ｍの層の厚さ、すなわち第２の昇降台１４の下方への移動距離によって決定される。そのため、所望する焼結層の厚さに応じて、第２の昇降台１４の下方への移動距離を調節することが好ましい。
以上説明した（ｉ）〜（ｉｖ）の状態を繰り返すことで、製造装置２０は、金属造形物Ｘを製造できる。

【0051】

図４は、本実施形態の金属造形物の製造方法を説明するための断面図である。図４中、「ｉ」〜「ｉｖ」の各文字は、図３中（ｉ）〜（ｉｖ）で示す各状態と対応している。

【0052】

図４中（ｉ−１）に示す状態は、製造装置２０がレーザーＬを造形槽１２に照射して、金属の層、すなわち造形途中の金属造形物Ｘを造形した後の状態である（図３（ｉ）参照）。金属造形物Ｘの周囲の金属粉末Ｍ_１の領域Ｓ_１の部分には、レーザーの照射によって変性した金属粉末が含まれている。厚みＨ_１は領域Ｓ_１の鉛直方向の高さ、すなわち領域Ｓ_１の層の厚さを示している。厚みＨ_１は、レーザーの出力値、レーザーのスポット径等の要因によって決定される。

【0053】

図４中（ｉｉ−１）に示す状態は、演算部４が領域Ｓ_１を算出して特定し、除去機構５が領域Ｓ_１に含まれる金属粉末を除去した後の状態である（図３（ｉｉ）参照）。そのため、造形槽１２に残る金属粉末Ｍ_１は未変性の金属粉末である。変性した金属粉末が除去された造形槽１２上の領域Ｓ_１には、凹部が形成されている。

【0054】

図４中（ｉｉｉ−１）に示す状態は、製造装置２０が第２の昇降台１４を下方向に移動させた後の状態である（図３（ｉｉｉ）参照）。厚みＨ_２は第２の昇降台１４の下方への移動距離を示している。そのため金属粉末Ｍ_１の層及び金属造形物Ｘが、厚みＨ_２の分、下方に移動している。

【0055】

図４中（ｉｖ−１）に示す状態では、製造装置２０が造形槽１２に未変性の金属粉末Ｍ_２を供給した後の状態を示す（図３（ｉｖ）参照）。図４中（ｉｖ−１）に示すように、造形途中の金属造形物Ｘの上方には、厚みＨ_２分の金属粉末Ｍ_２が敷き詰められている。また、金属粉末Ｍ_２の上面は、平坦化されている。

【0056】

図４中（ｉ−２）に示す状態は、図４中（ｉｖ−１）に示す状態の後に、再び製造装置２０がレーザーＬを造形槽１２に照射した後の状態である（図３（ｉ）参照）。造形途中の金属造形物Ｘの上方には、図４中（ｉｖ−１）に示した状態から、厚みＨ_２の焼結層が積層されている。領域Ｓ_２には、レーザーＬの照射によって変性した金属粉末が含まれている。厚みＨ_２は領域Ｓ_２の鉛直方向の高さ、すなわち領域Ｓ_２の層の厚さを示している。

【0057】

図４中（ｉｉ−２）に示す状態は、製造装置２０が領域Ｓ_２を算出して特定し、除去機構５が領域Ｓ_２に含まれる金属粉末を除去した後の状態である（図３（ｉｉ）参照）。そのため、造形槽１２に残る金属粉末Ｍ_１及び金属粉末Ｍ_２は未変性の金属粉末である。変性した金属粉末が除去された造形槽１２上の領域Ｓ_２には、凹部が形成されている。

【0058】

図４中（ｉｉｉ−２）に示す状態は、製造装置２０が第２の昇降台１４を下方向に再び移動させた後の状態である（図３（ｉｉｉ）参照）。厚みＨ_３は第２の昇降台１４の下方への移動距離を示している。そのため、金属粉末Ｍ_１の層、金属粉末Ｍ_２の層及び金属造形物Ｘが、厚みＨ_３の分、さらに下方に移動している。

【0059】

図４中（ｉｖ−２）に示す状態は、製造装置２０が造形槽１２に未変性の金属粉末Ｍ_３をさらに供給した後の状態を示す（図３（ｉｖ）参照）。図４中（ｉｖ−２）に示すように、造形途中の金属造形物Ｘの上方には、厚みＨ_３分の金属粉末Ｍ_３が敷き詰められている。また、金属粉末Ｍ_３の上面は、平坦化されている。

【0060】

図４中（ｉ−３）に示す状態は、図４中（ｉｖ−２）に示す状態の後に、再び製造装置２０がレーザーＬを造形槽１２に照射した後の状態である（図３（ｉ）参照）。造形途中の金属造形物Ｘの上方には、図４中（ｉｖ−２）に示した状態から、厚みＨ_３の焼結層が積層されている。領域Ｓ_３には、レーザーＬの照射によって変性した金属粉末が含まれている。厚みＨ_３は領域Ｓ_３の鉛直方向の高さ、すなわち領域Ｓ_３の層の厚さを示している。

【0061】

このように造形槽１２では、レーザーＬの照射と、未変性の金属粉末Ｍ_１〜Ｍ_３の供給と、焼結層の積層とを繰り返して金属造形物Ｘが造形される。
あらかじめデータが入力されたすべての焼結層の造形と、積層とが完了すると、金属造形物Ｘが完成する。完成した金属造形物は、造形槽１２から取り出される。

【0062】

以上、図３及び図４を用いて説明したように、本実施形態の金属造形物の製造方法では、変性した金属粉末を造形槽１２から除去した後に、造形槽１２に未変性の金属粉末を供給している。これにより金属造形物Ｘの造形途中において、金属造形物Ｘの周囲の金属粉末には変性した金属粉末が混入せず、金属造形物Ｘの周囲の金属粉末を未変性の状態に維持できる。

【0063】

以上説明した本実施形態の金属造形物の製造方法によれば、エネルギー線が照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域を算出し、算出した第２の領域に含まれる金属粉末を造形槽から除去するため、造形槽に充填された金属粉末に、変性した金属粉末が混入しにくい。よって、本実施形態の金属造形物の製造方法では、変性した金属粉末の量が低減された金属粉末に、エネルギー線を照射して金属の層を造形し、金属の層を積層して金属造形物を製造するため、機械的物性及び外観の意匠性に優れる金属造形物を製造できる。

【0064】

また、図４を用いて説明したように、レーザーＬを照射する度に変性した金属粉末を除去することで、金属造形物Ｘの造形途中において、金属造形物Ｘの周囲の金属粉末には変性した金属粉末がさらに混入しにくくなる。これにより、レーザーＬを照射して焼結層を積層する操作を繰り返しても、変性した金属粉末が造形槽１２に蓄積しにくくなる。そのため、レーザーＬを照射する度に変性した金属粉末を除去すると、未変性の金属粉末を使用して金属の層を造形できるため、レーザーの照射と金属の層の積層とを繰り返しても、金属造形物Ｘの機械的強度及び外観の意匠性がさらに優れる。

【0065】

［金属粉末回収方法］
以下、本実施形態の金属粉末回収方法について説明する。
本実施形態の金属粉末回収方法は、上述した構成を備える金属造形物の製造装置２０を用いて金属造形物Ｘを製造する際に、金属造形物Ｘの造形に用いられなかった金属粉末Ｍを回収する金属粉末回収方法である。以下、図４を参照して本実施形態の金属造形物の製造方法について、具体的に説明する。以下、図４中（ｉ−３）に示す状態で金属造形物Ｘが完成した場合を一実施形態例として説明する。

【0066】

金属造形物Ｘが完成すると、金属造形物Ｘは造形槽１２から取り出される。本実施形態の金属粉末回収方法では、金属造形物Ｘが完成した後に、第２の領域であるＳ_３に含まれる金属粉末を除去し、造形槽１２に残留する金属粉末を回収する。このようにして造形槽１２から金属造形物Ｘの造形に用いられなかった金属粉末を回収する。

【0067】

図４に示すように、本実施形態の金属粉末回収方法では、金属造形物Ｘを製造する際に、レーザーＬが照射される第１の領域の周囲の領域である第２の領域を算出し、算出した第２の領域に含まれる金属粉末を造形槽１２から除去している。また、変性した金属粉末を除去した後に、造形槽１２に未変性の金属粉末を供給している。そのため、金属造形物Ｘが取り出された後の造形槽１２には、金属造形物Ｘの造形に用いられなかった大量の未変性の金属粉末が残される。
よって、造形槽１２に残された未変性の金属粉末を回収すれば、金属粉末の量が大量であっても、業者又は工場に委託して再生してもらう必要がなく、そのまま再利用できる。このように、本実施形態の金属粉末回収方法によれば、従来の方法と比べて、熱影響を受けていない金属粉末の再利用は、時間とコスとを必要とせず、経済的であり、簡便である。

【0068】

なお、本実施形態の金属粉末回収方法では、除去機構５が除去する変性した金属粉末を回収してもよい。この場合、除去機構５によって除去される金属粉末は、変性した金属粉末であるため、回収したすべての金属粉末を変性の有無で選別する必要がない。そのため、除去機構５によって除去される金属粉末を回収すれば、回収した金属粉末の再利用は、従来の方法と比べて、金属粉末を未変性の状態に再生をする際に時間とコスとを必要とせず、経済的であり、簡便である。

【0069】

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

【0070】

例えば、以上説明した実施形態に係る製造装置では、金属粉末をレーザーの照射によって焼結していたが、上述した製造装置は金属粉末をレーザー又は電子ビームの照射によって、溶融固化させる形態であってもよい。

【0071】

その他にも、上述した金属粉末回収方法では、金属造形物Ｘの完成後に、造形槽１２から金属粉末を回収したが、金属造形物Ｘの製造途中に造形槽１２から未変性の金属粉末の一部を回収してもよい。

【0072】

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

【0073】

（実施例１）
金属造形物の製造装置２０で金属造形物の製造を行った。レーザー発振機１として、ＳＰＩ Ｌａｓｅｒｓ社製のＲｅｄ Ｐｏｗｅｒを使用した。また、光学系２はガルバノミラーを用いて構成した。ベースプレート７は、純チタン製のものを使用し、金属粉末としてチタン合金Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ（ＬＰＷ Ｔｈｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製、Φ１０〜４５μｍ）を使用した。また、レーザーの出力値を２００Ｗ、レーザーの走査幅を０．０５ｍｍ、レーザーの走査速度を８００ｍｍ／ｓとした。ベースプレート７上には、厚さ３０μｍの金属粉末の層を載置した。
実施例１ではシールドガスとして１００体積％のアルゴンガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバ３内に供給した。
以上の条件で、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物を製造した。
なお、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属溶融物は、金属層の一層分の金属造形物に相当する。金属溶融物の周囲には未溶融の金属粉末Ｓが残留する。残留した金属粉末は下記測定方法によって酸素含有量を測定した。本実施例では、金属溶融物の端部から７．５ｍｍ以内の残留金属粉末Ｍの酸素含有量の測定を行った。

【0074】

（測定方法）
「酸素含有量［ｗｔ％］」は、レーザー照射によって得られた金属溶融物周囲（第２の領域）に残留する未溶融の金属粉末Ｓまたは未使用の金属粉末について、ＬＥＣＯ社製酸素分析計ＴＣ−６００を用いて測定した。

【0075】

（実施例２）
実施例２では、金属溶融物の端部から５．０ｍｍ以内の残留金属粉末Ｓを用いた以外は、実施例１と同条件で金属粉末の酸素含有量測定を行った。
（実施例３）
実施例３では、金属溶融物の端部から２．５ｍｍ範囲の残留金属粉末Ｓを用いた以外は、実施例１と同条件で金属粉末の酸素含有量測定を行った。
（参考例１）
参考例１では、未使用の金属粉末について、酸素含有量測定を行った。

【0076】

上記実施例１〜３及び参考例１の測定結果を、図５に示す。図５に示す結果より、残留金属粉末は、未使用粉末に比べて酸素含有量が高いことを確認した。また、金属溶融物の端部に近い残留金属粉末ほど、酸素含有量が高いことを確認した。本実施例１の条件では、金属溶融物の端部から５．０ｍｍ以内の残留金属粉末が酸化されており、当該範囲の金属粉末を一層ごとに分別することで、造形物への品質に一定の効果が見込める。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明の金属造形物の製造装置及び金属造形物の製造方法によれば、機械的物性及び外観の意匠性に優れる金属造形物を製造できる。
本発明の金属粉末回収方法によれば、熱影響を受けていない粉末の再利用を簡便に行うことができる。

【符号の説明】

【0078】

１…レーザー発振器、２…光学系、３…造形部、４…算出機構、５…除去機構、６…制御部、７…第１の可動部、８…第２の可動部、９…吸引部、１０…造形ステージ、１１…供給槽、１２…造形槽、１３…第１の昇降台、１４…第２の昇降台、１５…リコーター、１６…凹部、２０…金属造形物の製造装置、Ｌ…レーザー、Ｍ…金属粉末、Ｓ…第２の領域、Ｗ…焼結層（第１の領域）、Ｘ…金属造形物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】