特開 2023-105840 金属積層造形装置

(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】P2023105840

(43)【公開日】2023-08-01

(54)【発明の名称】金属積層造形装置

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/366 20210101AFI20230725BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20230725BHJP

   B22F 10/38 20210101ALI20230725BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20230725BHJP

【ＦＩ】

B22F10/366

B22F10/28

B22F10/38

B33Y30/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022006821

(22)【出願日】2022-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松久 浩一郎

(72)【発明者】

【氏名】孫 岳

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018BA02

(57)【要約】

【課題】光ビームにより凝固した造形部が積層方向の下部に存在せず下支えのない第１エリア部における形状精度を向上させることが可能な金属積層造形装置を提供する。
【解決手段】金属粉末の層である粉末層に光ビームを照射し溶融、凝固させて積層することを繰り返して構造物を積層造形する金属積層造形装置であって、構造物は、光ビームにより凝固した造形部が積層方向の下部に存在しない第１エリア部と、造形部が下部に存在する第２エリア部と、を有し、第１エリア部と第２エリア部とを識別する識別情報を予め記憶する記憶部と、識別情報に基づき、第１エリア部の造形時に、第２エリア部の造形時よりも低いエネルギ密度で入熱を行うように、エネルギ密度を決定する造形条件を調整する条件調整部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属粉末の層である粉末層に光ビームを照射し溶融、凝固させて積層することを繰り返して構造物を積層造形する金属積層造形装置であって、
前記構造物は、前記光ビームにより凝固した造形部が積層方向の下部に存在しない第１エリア部と、前記造形部が下部に存在する第２エリア部と、を有し、
前記第１エリア部と前記第２エリア部とを識別する識別情報を予め記憶する記憶部と、
前記識別情報に基づき、前記第１エリア部の造形時に、前記第２エリア部の造形時よりも低いエネルギ密度で入熱を行うように、前記エネルギ密度を決定する造形条件を調整する条件調整部と、
を備える金属積層造形装置。

【請求項2】

前記記憶部は、
前記第１エリア部のうち、前記第２エリア部と同じ前記エネルギ密度により造形した場合に予め定められた形状誤差を超えた反りが発生する発生部と、前記第２エリア部と同じ前記エネルギ密度により造形した場合に前記反りが発生しない非発生部と、を識別する情報を前記識別情報としてさらに記憶し、
前記条件調整部は、
前記光ビームの出力であるビーム出力が前記非発生部の造形時における前記ビーム出力と同じであり、かつ、前記発生部におけるビーム照射時温度が前記非発生部における前記ビーム照射時温度と同一となるように、
前記発生部の造形時において、前記ビーム出力とは異なる条件を前記造形条件として調整する、
請求項１に記載の金属積層造形装置。

【請求項3】

前記金属粉末は、銅合金である請求項１または請求項２に記載の金属積層造形装置。

【請求項4】

前記構造物は、流体の流れる管路を有し、
前記第１エリア部は、前記管路を形成する曲面状をなす内周部に形成されている請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の金属積層造形装置。

【請求項5】

前記構造物は、高周波熱処理用のコイルである請求項４に記載の金属積層造形装置。

【請求項6】

前記条件調整部は、
前記造形条件として、前記光ビームの走査速度、前記光ビームの走査ピッチ、および前記粉末層の積層厚みのうち少なくともいずれかの条件を調整する請求項１～請求項５のうちいずれか一項に記載の金属積層造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、金属積層造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば特許文献１に記載されるように、金属粉末の層にレーザ等の光ビームを照射し溶融、凝固させて積層することを繰り返して、構造物を積層造形する金属積層造形装置が知られている。金属粉末としては、アルミニウムや、チタン、ニッケル、ステンレス鋼、銅合金等、様々な金属が使用される。このような金属積層造形装置は、微細な造形が可能であるため、機械系部品から電気系部品まで、様々な分野で期待されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１６７４５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、水管などであって、内部に流路などとして用いられる軸方向に延びる空洞が形成される構造物を、軸方向に垂直な平面での断面における下方から上方へ積層造形する場合には、構造物における、重力方向の上半分において大きな形状誤差が生じる虞がある。具体的には、流路の軸方向に垂直な平面での断面において、内周面を形成する部分のうちの重力方向の下半分は、造形時に下支えとなる造形部が存在するため、高精度な造形が可能となる。しかし、内周面を形成する部分のうちの重力方向の上半分は、造形時において既に造形された部位（凝固された部位）が直下に存在せず下支えがないため、下支えがある部位に比べて過入熱の状態となり、形状誤差を生じ、形状精度が悪化するという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

【0006】

（１）本開示の一形態によれば、金属積層造形装置が提供される。この金属積層造形装置は、金属粉末の層である粉末層に光ビームを照射し溶融、凝固させて積層することを繰り返して構造物を積層造形する金属積層造形装置であって、前記構造物は、前記光ビームにより凝固した造形部が積層方向の下部に存在しない第１エリア部と、前記造形部が下部に存在する第２エリア部と、を有し、前記第１エリア部と前記第２エリア部とを識別する識別情報を予め記憶する記憶部と、前記識別情報に基づき、前記第１エリア部の造形時に、前記第２エリア部の造形時よりも低いエネルギ密度で入熱を行うように、前記エネルギ密度を決定する造形条件を調整する条件調整部と、を備える。
光ビームにより凝固した造形部が積層方向の下部に存在せず下支えのない第１エリア部の造形時において、下支えとなる造形部が下部に存在する第２エリア部と同じエネルギ密度で光ビームを照射すると、第２エリア部と比べて過入熱の状態となり、形状誤差を生じやすく、形状精度が悪化する虞があった。上記形態の金属積層造形装置によれば、記憶部において第１エリア部と第２エリア部とを識別する識別情報が記憶される。そして、識別情報に基づき、条件調整部によって、第１エリア部の造形時に、第２エリア部の造形時よりも低いエネルギ密度で入熱を行うようにエネルギ密度を決定する造形条件を調整できる。このため、第１エリア部における過入熱が抑制でき、形状精度を向上させることができる。
（２）上記形態において、前記記憶部は、前記第１エリア部のうち、前記第２エリア部と同じ前記エネルギ密度により造形した場合に予め定められた形状誤差を超えた反りが発生する発生部と、前記第２エリア部と同じ前記エネルギ密度により造形した場合に前記反りが発生しない非発生部と、を識別する情報を前記識別情報としてさらに記憶し、前記条件調整部は、前記光ビームの出力であるビーム出力が前記非発生部の造形時における前記ビーム出力と同じであり、かつ、前記発生部におけるビーム照射時温度が前記非発生部における前記ビーム照射時温度と同一となるように、前記発生部の造形時において、前記ビーム出力とは異なる条件を前記造形条件として調整してもよい。
この形態の金属積層造形装置によれば、第１エリア部のうち、第２エリア部と同じ造形条件により造形した場合に予め定められた形状誤差を超えた反りが発生する発生部に対して、条件調整部により、第２エリア部の造形時よりも低いエネルギ密度で入熱を行うように調整できる。非発生部は、第２エリア部の造形時と同じエネルギ密度であっても反りが生じないため、エネルギ密度の調整は必要ない。上記形態では、形状精度を悪化させるような形状誤差を超えた反りが発生する発生部に対して、エネルギ密度が低くなるように調整するため、必要な部位に対して調整を行う好適な実施形態とできる。
（３）上記形態において、前記金属粉末は、銅合金であってもよい。銅合金粉末は、反射率が高く、光ビームのエネルギを吸収しにくいために、積層造形加工が比較的困難とされる。このような銅合金粉末であっても、上記形態の金属積層造形装置によれば、造形された構造物の形状精度を向上させることができる。
（４）上記形態において、前記構造物は、流体の流れる管路を有し、前記第１エリア部は、前記管路を形成する曲面状をなす内周部に形成されていてもよい。この形態の金属積層造形装置によれば、管路を有する構造物において、曲面状をなす内周部に形成される第１エリア部の形状精度を向上させることができる。
（５）上記形態において、前記構造物は、高周波熱処理用のコイルであってもよい。この形態の金属積層造形装置によれば、高周波熱処理用のコイルを形状精度良く積層造形加工により製造できる。
（６）上記形態において、前記条件調整部は、前記造形条件として、前記光ビームの走査速度、前記光ビームの走査ピッチ、および前記粉末層の積層厚みのうち少なくともいずれかの条件を調整してもよい。この形態の金属積層造形装置によれば、光ビームの走査速度、光ビームの走査ピッチ、および粉末層の積層厚みのうち少なくともいずれかの条件を用いて、エネルギ密度を調整できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示の第１実施形態における金属積層造形装置の概略構成を示す断面図である。

【図2】ビーム照射装置によるビーム照射について説明するための模式図である。

【図3】金属積層造形装置の機能的構成を示す概略ブロック図である。

【図4】金属積層造形装置により造形される構造物を示す断面図である。

【図5】ビーム照射時におけるエネルギ密度の理論式を説明するための模式図である。

【図6】エネルギ密度とビーム照射時温度との対応を示す図である。

【図7】エネルギ密度と造形条件との対応を示す図である。

【図8】図７に示す条件調整を経て造形された構造物の一部を拡大して示す断面写真である。

【図9】エネルギ密度と造形条件との対応を示す図である。

【図10】図９に示す条件調整を経て造形された構造物の一部を拡大して示す断面写真である。

【図11】比較形態の金属積層造形装置によって、管路の半径を変化させて造形したときの、形状誤差の発生を説明するための図である。

【図12】第１実施形態の金属積層造形装置によって、管路の半径を変化させて造形したときの、形状誤差の発生を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．金属積層造形装置１の全体構成：
図１は、本開示の第１実施形態における金属積層造形装置１の概略構成を示す断面図である。金属積層造形装置１は、パウダーベッド方式により、三次元形状の構造物Ｗを積層造形する。具体的には、金属積層造形装置１は、金属粉末Ｍの層である粉末層ＰＬにレーザビームを照射し溶融、凝固させた後、再度上層に金属粉末Ｍを被せて粉末層ＰＬを形成し、そこにレーザビームを照射するという作業を繰り返し、積層していくことによって構造物Ｗを造形する。

【0009】

第１実施形態では、光ビームとしてレーザビームを使用する。なお、光ビームとしては、レーザビームの他、電子ビームや、その他、金属粉末Ｍを溶融することができる種々のビームを含む。また、レーザビームには、近赤外波長のレーザ、ＣＯ２レーザ（遠赤外レーザ）、半導体レーザ等、種々のレーザを適用でき、対象の金属粉末Ｍに応じて適宜決定される。また、第１実施形態では、金属粉末Ｍは銅合金である。なお、金属粉末Ｍとしては、銅合金の他、アルミニウム、純銅、マルエージング鋼やインコネル等の鋼材、ステンレス等、種々の金属材料を適用できる。

【0010】

金属積層造形装置１は、図１に示すように、チャンバ１０、造形物支持装置２０、粉末供給装置３０、および、ビーム照射装置４０を備える。チャンバ１０は、内部の空気を、例えばＨｅ（ヘリウム）、Ｎ２（窒素）やＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスに置換可能となるように構成されている。なお、チャンバ１０は、内部を不活性ガスに置換するのではなく、減圧可能な構成としてもよい。

【0011】

造形物支持装置２０は、チャンバ１０の内部に設けられ、構造物Ｗを造形するための部位である。造形物支持装置２０は、造形用容器２１、昇降テーブル２２、ベース２３を備える。造形用容器２１は、上側に開口部を有し、上下方向の軸線に平行な内壁面を有する。昇降テーブル２２は、造形用容器２１の内部にて内壁面に沿うように上下方向に移動可能に設けられる。ベース２３は、昇降テーブル２２の上面に着脱可能に取り付けられ、ベース２３の上面が構造物Ｗを造形するための部位となる。つまり、ベース２３は、上面に層状に金属粉末Ｍを配置すると共に、造形時に構造物Ｗを支持する。昇降テーブル２２の位置決め高さを変更することにより、金属粉末Ｍの積層厚みを変更することができる。

【0012】

粉末供給装置３０は、チャンバ１０の内部であって、造形物支持装置２０に隣接して設けられる。粉末供給装置３０は、粉末収納容器３１、供給テーブル３２、リコータ３３を備える。粉末収納容器３１は、上側に開口部を有しており、粉末収納容器３１の開口部の高さは、造形用容器２１の開口部の高さと同一に設けられている。粉末収納容器３１は、上下方向の軸線に平行な内壁面を有する。供給テーブル３２は、粉末収納容器３１の内部にて内壁面に沿うように上下方向に移動可能に設けられる。そして、粉末収納容器３１内において、供給テーブル３２の上側領域に、金属粉末Ｍが収納されている。

【0013】

リコータ３３は、造形用容器２１の開口部および粉末収納容器３１の開口部の全領域に亘って、両開口部の上面に沿って往復移動可能に設けられている。リコータ３３は、図１の右から左に移動するときに、粉末収納容器３１の開口部から盛り出ている金属粉末Ｍを、造形用容器２１側に運搬する。さらに、リコータ３３は、運搬した金属粉末Ｍをベース２３の上面にて層状に配置する。なお、上記構成の他に、移動可能な上記リコータ３３自体が、金属粉末Ｍを供給する機能を備えるようにすることも可能である。この場合、金属粉末Ｍは、リコータ３３によってベース２３上に供給されながら、平坦化される。

【0014】

図２は、ビーム照射装置４０によるビーム照射について説明するための模式図である。図２に示すように、ビーム照射装置４０は、ベース２３の上面に層状に配置された金属粉末Ｍの層である粉末層ＰＬの表面に、ビームを照射する。ビーム照射装置４０は、層状に配置された金属粉末Ｍにビームを照射することにより、金属粉末Ｍを金属粉末Ｍの融点以上の温度に加熱する。そうすると、金属粉末Ｍは、溶融し、その後凝固することで、一体化された層状の造形部Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３（いずれも構造物Ｗの一部）が造形される。つまり、隣接する金属粉末Ｍ同士は、溶融接合によって一体化される。

【0015】

図３は、金属積層造形装置１の機能的構成を示す概略ブロック図である。図３に示すように、金属積層造形装置１は、制御装置５０を備えている。制御装置５０は、記憶部５１と、条件調整部５２と、を備えている。記憶部５１は、構造物Ｗに関する各種情報を記憶する。具体的には、例えば、構造物Ｗの３次元データを基礎として、スライサーソフトウェア等により、積層される２次元の断面形状における情報を記憶する。

【0016】

制御装置５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、その他の入出力ポート等を含むマイクロコンピュータであり、金属積層造形装置１１の全体を制御する。かかるマイクロコンピュータのＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、上記条件調整部５２として機能する。

【0017】

図４は、金属積層造形装置１により造形される構造物Ｗ１を示す断面図である。第１実施形態において造形する構造物Ｗ１は、高周波熱処理用のコイルである。構造物Ｗ１は、流体としての水が流れる管路６０を有している。図４では、管路６０の延びる軸方向に垂直な平面で切った断面（以下、単に「軸方向断面」という）を図示している。なお、図４右側は、図４左側の管路６０の周辺を拡大して示すものである。管路６０の軸方向断面形状は、略半円形状をなしている。管路６０の半径Ｒは８ｍｍである。なお、管路６０の軸方向断面形状は、略半円に限らず、正円、楕円、三角形や四角形の多角形、任意の直線および曲線により形成された形状とすることができる。

【0018】

構造物Ｗ１は、第１エリア部６１と、第２エリア部６２と、を有している。第１エリア部６１は、構造物Ｗ１において、光ビームにより凝固した造形部が積層方向Ｚの下部に存在しない部位である。具体的には、第１エリア部６１は、管路６０の外側であって曲面状をなす内周部に形成されている。第２エリア部６２は、構造物Ｗ１において、光ビームにより凝固した造形部が下部に存在する部位である。具体的には、第２エリア部６２は、管路６０の外側下部であって直線状をなす直線部および、内周部の外側に位置する部位であって、造形部が積層方向Ｚの下部に存在しない部分に形成されている。

【0019】

なお、図４では、後述するエネルギ密度Ｅの調整が条件調整部５２においてなされず、第１エリア部６１および第２エリア部６２の全てが同一造形条件にて造形されたときの形状を図示している。したがって、破線で囲んで示す天面部６６近傍に形状崩れが見られる。なお、「エネルギ密度Ｅの調整が条件調整部５２においてなされず、第１エリア部６１および第２エリア部６２の全てが同一造形条件にて造形されたとき」のことを、以下、単に「条件調整がなされないとき」ともいう。

【0020】

条件調整がなされない状態で造形された第１エリア部６１は、発生部６４と、非発生部６５とに区分けされる。発生部６４は、第２エリア部６２と同じ造形条件によりビームを照射して造形した場合に、予め定められた許容形状誤差を超えた反りが発生する部位である。非発生部６５は、第２エリア部６２と同じ造形条件によりビームを照射して造形した場合に、上記反りが発生しない部位である。「許容形状誤差を超えた反り」とは、例えば、１層の厚みを超えるような反りである。図４において右側に拡大して示すように、第１エリア部６１のうち、例えば、３７９層は非発生部６５を有する層であり、３９９層は発生部６４を一部に有する層である。

【0021】

上記記憶部５１は、第１エリア部６１と、第２エリア部６２と、を識別する識別情報を記憶する。さらに、記憶部５１は、発生部６４と、非発生部６５と、を識別する情報を識別情報として記憶する。

【0022】

上記条件調整部５２は、識別情報に基づいて、ビーム照射装置４０による各種照射条件や積層厚みなどを含む造形条件を調整する。具体的には、条件調整部５２は、発生部６４の造形時に、非発生部６５および第２エリア部６２よりも低いエネルギ密度Ｅで入熱を行うように調整する。条件調整に関する、具体的な数値データを用いた詳細な説明については後述する。

【0023】

図５は、ビーム照射時におけるエネルギ密度Ｅの理論式を説明するための模式図である。条件調整部５２は、予め設定されたプログラムに従って、照射位置、レーザ出力Ｐ［Ｗ］、走査速度ｖ［ｍｍ／ｓ］、走査ピッチｓ［ｍｍ］、積層厚みｔ［ｍｍ］等を変更する。照射位置を変化させることにより、所望の層状の造形物を造形することができる。また、レーザ出力Ｐを変化させることにより、金属粉末Ｍに流入する入熱量が変化し、金属粉末Ｍ同士の接合強度を変化させることができる。入熱量に相関するエネルギ密度Ｅは、下記理論式（１）に基づいたパラメータにより調節可能である。
エネルギ密度：Ｅ＝Ｐ／（ｖ×ｓ×ｔ） ・・・（１）

【0024】

Ａ２．条件調整部５２による調整：
次に、上記金属積層造形装置１により構造物Ｗ１を造形する際に、条件調整部５２が実行する条件調整について、データを用いて説明する。条件調整部５２は、発生部６４の造形時に、ビーム出力が非発生部６５の造形時におけるビーム出力と同じであり、かつ、発生部６４のビーム照射時温度が非発生部６５のビーム照射時温度と同一となるように、ビーム出力とは異なる造形条件を調整する。

【0025】

なお、ここで言う「同一」および「同じ」とは、厳密な意味での「同一」および「同じ」に限らず、当該技術分野の技術常識に照らして、通常、「同一」および「同じ」であると判断される範囲の同一性を有していれば、「同一」および「同じ」であると解釈する。具体的には、基準値の２０％程度の増減による相違は同一であるものに含まれることがある。

【0026】

図６は、エネルギ密度Ｅとビーム照射時温度との対応を示す図である。ここで、「ビーム照射時温度」とは、レーザ照射ポイント周辺の平均温度である。レーザ照射ポイント周辺は、レーザ照射により金属粉末Ｍが溶融して形成される溶融池Ｎ（図５を参照）を含む。図６に示すデータにおいて、「照射時温度」は、レーザ照射ポイント周辺における複数点をプロットして、解析により導出されたものである。

【0027】

図６のｃａｓｅ１およびｃａｓｅ２に示すエネルギ密度Ｅで造形したときの、構造物の態様が、図４に示す構造物Ｗ１と一致している。図４、図６のｃａｓｅ１およびｃａｓｅ２に示すように、エネルギ密度Ｅが２３１Ｊ／ｍｍ^３の場合には、３７９層では反りが発生せず、３９９層では、３９９層における天面部６６近傍に反りが発生して、造形崩れが発生した。上記解析により得られた照射時温度を比較すると、３９９層における発生部６４の照射時温度は３７００℃であり、３７９層における非発生部６５の照射時温度は１３５０℃であった。

【0028】

すなわち、非発生部６５（３７９層）の方が、照射時温度が著しく高かった。図４に示すように、本願発明者の検討により、下支えのない第１エリア部６１の中でも、より天面部６６に近い部位において、形状崩れが発生することが分かった。天面部６６に近い部位は、具体的には、内周面の接線角度θ（接線と、接点を通る水平面とのなす角度であり、図４の反時計回りの角度）が３０度～１５０度の領域の部位である。接線角度θが９０度付近である部位が、最も形状誤差が大きかった。

【0029】

ここで、形状崩れが発生する原理について簡単に説明する。造形が進み、下部から天面部６６付近まで積層されていくにしたがって、粉末層ＰＬに対してレーザ照射する部位の長さＬ１（図２参照）は長くなる。特に、天面部６６付近の粉末層ＰＬでは、金属粉末Ｍにレーザを照射する際に、照射部位の真下に金属粉末Ｍが凝固していない部位の長さＬ２は、下層の該当長さＬ３よりも長い。すなわち、金属粉末Ｍが凝固していない部分との接触面積が大きくなる。凝固していない金属粉末Ｍは、凝固した状態の金属よりも熱伝導率が低く、また、１つの粉末層ＰＬの厚みは４０μｍとごく薄いため、発生部６４へのレーザ照射が、非発生部６５へのレーザ照射と同じエネルギ密度Ｅであると、下の層へ放熱しづらくなり熱を蓄えてしまう。

【0030】

その結果、発生部６４への入熱量が大きくなり、すなわち熱膨張が下層（例えば、造形部Ｗ１３の造形時であれば、図２に示す一つ下の造形部Ｗ１２）よりも大きくなり、やがて発生部６４が冷却されて収縮する際に、下層側は形状が保持されているため上側に反ってしまっていた。反りが生じると、その上部にリコータ３３で金属粉末Ｍを敷き詰める際に、平坦に敷き詰めることができない。或いは、平坦に敷き詰められたとしても、１層の厚みが部分的に薄くなり、さらに過入熱の状態となることから、誤差が積み重なってしまい、最終的に、天面部６６付近が許容範囲を超えて下側へ崩れていた。これにより、許容範囲を超えた形状崩れとなっていた。

【0031】

そこで、本願発明者は、発生部６４の照射時温度が、非発生部６５の照射時温度と同程度になるように低くすれば、過入熱が抑えられて、反りを抑制できるのではないかと思料した。再び、図６を参照する。本願発明者の解析により、発生部６４（３９９層）のエネルギ密度Ｅをｃａｓｅ２に示す２３１Ｊ／ｍｍ^３からｃａｓｅ３に示す８５Ｊ／ｍｍ^３に小さくすると、３７９層と同等の温度である１４００℃まで低くすることができた。ここで、エネルギ密度Ｅは上記式（１）により求められる。式（１）より、エネルギ密度Ｅを低くするには、レーザ出力Ｐを下げる、もしくは、走査速度ｖ、走査ピッチｓ、および積層厚みｔのいずれかの値を上げる、ことが考えられる。

【0032】

以下、いずれの造形条件によりエネルギ密度Ｅを低くすることが適しているかを検討した。図７は、エネルギ密度Ｅと造形条件との対応を示す図であり、調整する条件として走査速度ｖを用い、走査速度ｖを大きくすることによりエネルギ密度Ｅを小さくする対応を取ったときのデータを示している。図７に示す例では、走査速度ｖを５００ｍｍ／ｓから１１００ｍｍ／ｓに変更している。なお、レーザ出力Ｐは、３７０Ｗから３００Ｗに減少しているが、これは、レーザ出力Ｐと走査速度ｖとを条件に作成されたマップに基づいて実験を行ったためであり、意図的に下げたものではない。また、本実施形態では、第２エリア部６２と非発生部６５とにおける造形条件は同じとしている。

【0033】

図８は、図７に示す条件調整を経て造形された構造物Ｗ２の一部を拡大して示す断面写真である。図９は、エネルギ密度Ｅと造形条件との対応を示す図であり、調整する条件としてレーザ出力Ｐを用い、レーザ出力Ｐを小さくすることによりエネルギ密度Ｅを小さくする対応を取ったときのデータを示している。図９に示す例では、レーザ出力Ｐを３７０Ｗから１３６Ｗに変更している。図１０は、図９に示す条件調整を経て造形された構造物Ｗ３の一部を拡大して示す断面写真である。

【0034】

なお、構造物Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、いずれも同様の形状の水管をモデルにしたものであって、金属積層造形装置１による造形時の条件が異なって造形されたことで、仕上がり形状が異なっている。

【0035】

図８に示すように、走査速度ｖを大きくする調整を行って造形した場合、天面部６６での形状崩れはほぼ生じず、形状誤差を０．５ｍｍ以下まで小さくすることが可能となった。一方、図１０に示すように、レーザ出力Ｐを小さくする調整を行って造形した場合、ある程度の形状誤差の改善は得られたものの、相対密度の低下に起因する空孔６７が複数生じており、品質の低下が見られた。空孔６７が複数生じると、製品使用時に、水圧が構造物Ｗ３の内周部に作用したときに機械的な応力で割れやすくなるという不都合が生じる。

【0036】

以上により、空孔６７が生じない程度の品質を確保するために金属粉末Ｍを適度に溶融させるには、レーザ出力Ｐは、ある程度の大きさが必要であるため、エネルギ密度Ｅを小さくする調整に際しては、レーザ出力Ｐ以外の条件を用いて調整することが好ましい。具体的には、発生部６４における造形条件として走査速度ｖ、走査ピッチｓ、および積層厚みｔのいずれかの値を大きくすることにより調整できる。

【0037】

（１）上記第１実施形態の金属積層造形装置１では、造形部Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３が直下に存在せず下支えがない第１エリア部６１の発生部６４の造形時において、非発生部６５の造形時におけるレーザ出力Ｐと同じであり、かつ、非発生部６５の照射時温度と同程度となるように、走査速度ｖを大きくすることによりエネルギ密度Ｅを小さくする調整を行う。これにより、第１エリア部６１において形状崩れが生じる原因となる層での反りの発生を抑制でき、形状精度を向上させることができる。

【0038】

（２）また、エネルギ密度Ｅを小さくする調整に際して、レーザ出力Ｐの大きさは小さくすることなく維持できるため、出来上がった構造物Ｗ２に空孔６７が生じない程度の品質を確保することができる。

【0039】

（３）図１１は、条件調整部５２を有さない比較形態の金属積層造形装置１によって、管路６０の半径Ｒを変化させて造形したときの、形状誤差の発生を説明するための図である。図１２は、第１実施形態の金属積層造形装置１によって、管路６０の半径Ｒを変化させて造形したときの、形状誤差の発生を説明するための図である。図１１に示すように、条件調整部５２を有さず、第１エリア部６１および第２エリア部６２において同じ条件で照射し造形する場合には、形状誤差が０．５ｍｍ以下に抑えられるのは、半径Ｒが２ｍｍ以下であった。一方、図１２に示すように、上記第１実施形態の金属積層造形装置１による造形では、半径Ｒが８ｍｍまでの範囲で形状誤差が０．５ｍｍ以下に抑えられた。

【0040】

すなわち、半径Ｒが８ｍｍ程度の大きな管部材ついても、形状精度を維持しつつ造形が可能となった。このように、金属積層造形装置１により造形できる水管形状が増えるため、例えば鍛造や手作業を含む溶接等の他の方法により製造する場合と比較して、構造物Ｗ２の製造時間の短縮や、寿命向上の効果を得ることができ、ひいては製造コストを削減できる。

【0041】

（４）上記第１実施形態の金属積層造形装置１では、金属粉末Ｍとして銅合金を用いている。銅合金粉末は、反射率が高いため、レーザ光のエネルギを吸収しにくく、粉末の温度が上昇しにくい。また、粉末の温度が上昇して融点を超えても、熱伝導率がアルミの約２倍、ステンレスの２０倍と大きいために、すぐに冷却されて融点以下になり凝固してしまう。そのため、レーザ照射中に融点を超えて粉末が流動している時間が非常に短く、高密度な積層金属を得ることが困難であった。すなわち、銅合金は、レーザ照射時における過入熱の影響を受けやすいが、上記第１実施形態によれば、銅合金によっても上記したように、品質精度の良い造形が可能となる。

【0042】

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記第１実施形態の金属積層造形装置１では、同一の１層の中における発生部６４と非発生部６５とを区別した上で、発生部６４に対して走査速度ｖを大きく変更するようにしたが、１層ごとに走査速度ｖを調整するようにしてもよい。例えば、上記の例では、発生部６４を有する３９９層の１層全体について、エネルギ密度Ｅを小さくする調整を行ってもよい。

【0043】

なお、積層厚みｔについては、１層の中で異なるような調整はできないが、１層全体としての厚みは、造形物支持装置２０の昇降テーブル２２の下降量を調整することで調整可能である。走査速度ｖ、走査ピッチｓについては、上記と同様に１層ごとに調整してもよいし、１層の中での走査部位に応じて発生部６４に対してのみ調整してもよい。

【0044】

（Ｂ２）上記第１実施形態の金属積層造形装置１では、構造物Ｗとして、高周波熱処理用のコイルである水管を例に説明したが、構造物Ｗはこのような水管に限られない。凝固した造形部が積層方向Ｚの下部に存在しない第１エリア部６１と、造形部が下部に存在する第２エリア部６２と、を有する構造物Ｗであれば、本開示による金属積層造形装置１による造形が適用可能である。

【0045】

（Ｂ３）上記第１実施形態の金属積層造形装置１では、発生部６４の造形時において、走査速度ｖを大きくするように調整したが、非発生部６５を含めた第１エリア部６１全体の造形において、第２エリア部６２よりも低いエネルギ密度Ｅで入熱を行うように調整してもよい。

【0046】

（Ｂ４）上記第１実施形態の金属積層造形装置１では、エネルギ密度Ｅを小さくするために走査速度ｖを大きくすることで調整したが、走査ピッチｓや積層厚みｔ等のパラメータを大きくすることにより調整してもよい。また、これらのパラメータを複数組み合わせて調整してもよい。

【0047】

（Ｂ５）上記第１実施形態の金属積層造形装置１では、発生部６４を識別する識別情報を、事前の試験により実際に反りが生じたデータに基づいて識別した。その他、造形時における蓄積データから、反りが発生すると予測される管路の半径と接線角度との関係や、照射部位の真下における金属粉末Mが凝固していない部位の長さ等に基づいた推定により、発生部を識別するようにしてもよい。

【0048】

本開示は、上記各実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0049】

１…金属積層造形装置、１０…チャンバ、１１…金属積層造形装置、２０…造形物支持装置、２１…造形用容器、２２…昇降テーブル、２３…ベース、３０…粉末供給装置、３１…粉末収納容器、３２…供給テーブル、３３…リコータ、４０…ビーム照射装置、５０…制御装置、５１…記憶部、５２…条件調整部、６０…管路、６１…第１エリア部、６２…第２エリア部、６４…発生部、６５…非発生部、６６…天面部、６７…空孔、Ｗ，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３…構造物、Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３…造形部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】