(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】P2023031963
(43)【公開日】2023-03-09
(54)【発明の名称】立体造形物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B22F 10/47 20210101AFI20230302BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20230302BHJP
B22F 3/16 20060101ALI20230302BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20230302BHJP
B22F 10/38 20210101ALN20230302BHJP
【ＦＩ】
B22F10/47
B22F10/28
B22F3/16
B33Y10/00
B22F10/38
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021137770
(22)【出願日】2021-08-26
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的イノベーション創造プログラム「逆問題ＭＩ基盤の確立とこれを中核とした拠点形成」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(72)【発明者】
【氏名】草野 正大
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 誠
【テーマコード（参考）】
4K018
【Ｆターム（参考）】
4K018AA09
4K018BA20
4K018BB04
(57)【要約】
【課題】立体造形物の形状を工夫して熱伝導を抑制することでプロセス中の材料温度を高温に保持し、立体造形物の金属組織および力学特性の制御を可能すること。
【解決手段】金属粉末積層造形装置を用いて造形物層を積層した立体造形物１０を製造する方法であって、立体造形物１０は、基台２０と接続されると共に、熱抵抗が所定値となる形状を有する細棒支持部３０と、殻形状の本体部５０と、本体部５０と細棒支持部３０とを構造的に連結するテーパ形状部４０とを備え、前記金属粉末積層造形装置は、金属粒子を含む粉末材料の薄層を形成する工程と、前記薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成する工程と、前記薄層を形成する工程と前記造形物層を形成する工程とをこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層する工程とを含むものである。
【選択図】図１
【解決手段】金属粉末積層造形装置を用いて造形物層を積層した立体造形物１０を製造する方法であって、立体造形物１０は、基台２０と接続されると共に、熱抵抗が所定値となる形状を有する細棒支持部３０と、殻形状の本体部５０と、本体部５０と細棒支持部３０とを構造的に連結するテーパ形状部４０とを備え、前記金属粉末積層造形装置は、金属粒子を含む粉末材料の薄層を形成する工程と、前記薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成する工程と、前記薄層を形成する工程と前記造形物層を形成する工程とをこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層する工程とを含むものである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属粉末積層造形装置を用いて造形物層を積層した立体造形物を製造する方法であって、前記立体造形物は、
基台と接続されると共に、熱抵抗が所定値となる形状を有する細棒支持部と、
殻形状の本体部と、
前記本体部と前記細棒支持部とを構造的に連結するテーパ形状部と、
を備え、
前記金属粉末積層造形装置は、
金属粒子を含む粉末材料の薄層を形成する工程と、
前記薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成する工程と、
前記薄層を形成する工程と前記造形物層を形成する工程とをこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層する工程と、
を含む立体造形物の造形方法。
基台と接続されると共に、熱抵抗が所定値となる形状を有する細棒支持部と、
殻形状の本体部と、
前記本体部と前記細棒支持部とを構造的に連結するテーパ形状部と、
を備え、
前記金属粉末積層造形装置は、
金属粒子を含む粉末材料の薄層を形成する工程と、
前記薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成する工程と、
前記薄層を形成する工程と前記造形物層を形成する工程とをこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層する工程と、
を含む立体造形物の造形方法。
【請求項2】
前記造形物層を積層する工程は、
前記細棒支持部を造形する工程と、
前記細棒支持部と連結した前記テーパ形状部を造形する工程と、
前記テーパ形状部と連結した本体部を造形する工程と、
を有する請求項１に記載の立体造形物の造形方法。
前記細棒支持部を造形する工程と、
前記細棒支持部と連結した前記テーパ形状部を造形する工程と、
前記テーパ形状部と連結した本体部を造形する工程と、
を有する請求項１に記載の立体造形物の造形方法。
【請求項3】
前記テーパ形状部は、前記細棒支持部側から前記本体部側に拡大する形状を有すると共に、前記拡大する角度は全角で６０度以上１２０度以下である、
請求項１又は２に記載の立体造形物の造形方法。
請求項１又は２に記載の立体造形物の造形方法。
【請求項4】
前記細棒支持部の熱抵抗が所定値となる形状は、
前記本体部を造形する工程において、前記金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射による前記造形物層を形成する工程での前記造形物層の昇温が、前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間を充足するように定められる、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の立体造形物の造形方法。
前記本体部を造形する工程において、前記金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射による前記造形物層を形成する工程での前記造形物層の昇温が、前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間を充足するように定められる、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の立体造形物の造形方法。
【請求項5】
前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間は、前記造形物層の前記粉末材料の結晶粒子形状が所定の結晶粒径を保持するように定められる、
請求項４に記載の立体造形物の造形方法。
請求項４に記載の立体造形物の造形方法。
【請求項6】
前記本体部は、タービン静翼、又はタービン動翼である請求項１乃至５の何れか１項に記載の立体造形物の造形方法。
【請求項7】
さらに、前記本体部から前記テーパ形状部を除去する工程、又は前記テーパ形状部から前記細棒支持部を除去する工程を有する、
請求項１乃至６の何れか１項に記載の立体造形物の造形方法。
請求項１乃至６の何れか１項に記載の立体造形物の造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、粉末床溶融結合法を用いた立体造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
粉末床溶融結合法（Powder Bed Fusion、ＰＢＦ）では、レーザ光もしくは電子ビームを用いて原料粉末を局所的かつ瞬間的に溶融・凝固させて、任意形状のサンプルを作製するものである（例えば、特許文献１、２参照）。鍛造や鋳造などのプロセスに比べて、ＰＢＦは冷却速度や凝固速度が速いことが特徴である。このようなプロセス中の熱履歴によって、造形サンプルの金属組織は微細となる傾向にあり、力学特性にも影響する。
【0003】
特に、微細組織を有する金属組織は延性に劣るため、粉末床溶融結合法で製造した造形サンプルにおいては、造形サンプルの結晶粒を粗大化させるため、熱処理が一般的に行われている。また、プロセス条件（例えば、熱源の出力や走査速度、基材温度［例えば、非特許文献１参照］など）によって、造形サンプルの金属組織や力学特性を変えるような研究事例が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第３０１０３１２号公報
【特許文献2】特開２０１８－８０３９３号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】R. Mertens et al. ”Application of base plate preheating during selective laser melting” Procedia CIRP 74 (2018) 5-11, Science Direct
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
以上説明したように、従来の粉末床溶融結合法の場合、レーザ光もしくは電子ビームを用いて原料粉末を局所的かつ瞬間的に溶融・凝固させているが、立体造形物の冷却速度が速く、原料粉末が瞬間的に凝固するプロセスとなっている。そこで、造形プロセス後の熱処理による金属組織の粗大化、相変態・析出などで力学特性の改善がおこなわれているため、製造プロセスに改善の余地があるという課題があった。
本発明は上述する課題を解決するもので、立体造形物の形状を工夫して熱伝導を抑制することで、造形プロセス中の金属粉末の材料温度を高温に保持し、立体造形物の金属組織および力学特性の制御を可能する立体造形物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は上述する課題を解決するもので、立体造形物の形状を工夫して熱伝導を抑制することで、造形プロセス中の金属粉末の材料温度を高温に保持し、立体造形物の金属組織および力学特性の制御を可能する立体造形物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】
［１］本発明の立体造形物の造形方法は、例えば、図１に示すように、金属粉末積層造形装置を用いて造形物層を積層した立体造形物１０を製造する方法であって、立体造形物１０は、基台２０と接続されると共に、熱抵抗が所定値となる形状を有する細棒支持部３０と、殻形状の本体部５０と、本体部５０と細棒支持部３０とを構造的に連結するテーパ形状部４０とを備え、
前記金属粉末積層造形装置は、金属粒子を含む粉末材料の薄層を形成する工程と、
前記薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成する工程と、
前記薄層を形成する工程と前記造形物層を形成する工程とをこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層する工程とを含むものである。
前記金属粉末積層造形装置は、金属粒子を含む粉末材料の薄層を形成する工程と、
前記薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成する工程と、
前記薄層を形成する工程と前記造形物層を形成する工程とをこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層する工程とを含むものである。
【0008】
［２］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、前記造形物層を積層する工程は、細棒支持部３０を造形する工程と、細棒支持部３０と連結したテーパ形状部４０を造形する工程と、テーパ形状部４０と連結した本体部５０を造形する工程とを有するとよい。
［３］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、テーパ形状部４０は、細棒支持部３０側から本体部５０側に拡大する形状を有すると共に、前記拡大する角度は全角で６０度以上１２０度以下であるとよい。
［３］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、テーパ形状部４０は、細棒支持部３０側から本体部５０側に拡大する形状を有すると共に、前記拡大する角度は全角で６０度以上１２０度以下であるとよい。
【0009】
［４］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、細棒支持部３０の熱抵抗が所定値となる形状は、本体部５０を造形する工程において、前記金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射による前記造形物層を形成する工程での前記造形物層の昇温が、前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間を充足するように定められるとよい。
［５］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間は、前記造形物層の前記粉末材料の結晶粒子形状が所定の結晶粒径を保持するように定められるとよい。前記粉末材料の結晶粒子形状は、例えば、ＡＳＴＭ結晶粒度としての２－５の範囲に相当する、６０以上１８０μｍ以下であるとよい。
［６］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、本体部５０は、タービン静翼、又はタービン動翼であるとよい。
［５］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間は、前記造形物層の前記粉末材料の結晶粒子形状が所定の結晶粒径を保持するように定められるとよい。前記粉末材料の結晶粒子形状は、例えば、ＡＳＴＭ結晶粒度としての２－５の範囲に相当する、６０以上１８０μｍ以下であるとよい。
［６］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、本体部５０は、タービン静翼、又はタービン動翼であるとよい。
【0010】
［７］本発明の立体造形物の造形方法において、好ましくは、さらに、本体部５０からテーパ形状部４０を除去する工程、又はテーパ形状部４０から細棒支持部３０を除去する工程を有するとよい。
【0011】
本発明の立体造形物の造形方法においては、本体部に対して、テーパ形状部と細棒支持部とを構造的に連結することで、基台への熱伝導を抑制することができ、立体造形物の造形プロセス中の造形サンプルを高温に保持することができる。そこで、造形サンプルの金属組織や力学特性を制御することができる。
テーパ形状部と細棒支持部の形状は、造形サンプルの断面積（基材に平行となる断面の面積）が小さくなる部分となっており、粉末床溶融結合法による本体部の造形の際に、テーパ形状部と細棒支持部を経由して基台への熱伝導を抑制し、本体部を高温に保つことができる。テーパ形状部と細棒支持部の断面積をどの程度減少させるかによって、本体部の保持温度が変わり、本体部の金属組織や力学特性も制御できる。
テーパ形状部と細棒支持部の形状は、造形サンプルの断面積（基材に平行となる断面の面積）が小さくなる部分となっており、粉末床溶融結合法による本体部の造形の際に、テーパ形状部と細棒支持部を経由して基台への熱伝導を抑制し、本体部を高温に保つことができる。テーパ形状部と細棒支持部の断面積をどの程度減少させるかによって、本体部の保持温度が変わり、本体部の金属組織や力学特性も制御できる。
【発明の効果】
【0012】
本発明の粉末床溶融結合法の場合、造形プロセス中に金属粉末材料を高温に保持できるため、冷却速度・凝固速度を遅くすることで結晶粒の形成を制御できる。そこで、造形プロセス中の高温保持によって、従来の造形プロセス後の熱処理による金属組織の粗大化、相変態・析出などを代替でき、造形プロセス後の熱処理を行わなくても済み、製造プロセスが簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一実施例を示す造形物の正面図である。
【図2】本発明の粉末床溶融結合法に用いる金属粉３Ｄプリンタの一実施例を示す、全体の機能ブロック図である。
【図3】本発明の一実施例を示す立体造形物の造形方法のフローチャートである。
【図4】本発明の一実施例を示す立体造形物の造形方法のフローチャートである。
【図5A】本発明の一実施例を示す、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による造形物の切断面の微細組織を示す写真図で、基台２０を示している。
【図5B】本発明の一実施例を示す、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による造形物の切断面の微細組織を示す写真図で、テーパ部４０を示している。
【図5C】本発明の一実施例を示す、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による造形物の切断面の微細組織を示す写真図で、本体部５０を示している。
【図6A】本発明の一実施例を示す、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）による造形物の切断面の結晶粒を示す写真図で、基台２０を示している。
【図6B】本発明の一実施例を示す、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）による造形物の切断面の結晶粒を示す写真図で、テーパ部４０を示している。
【図6C】本発明の一実施例を示す、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）による造形物の切断面の結晶粒を示す写真図で、本体部５０を示している。
【図7A】ＥＢＳＤ画像より得られた結晶粒の幅と長さを，造形物高さに対して図示したものである。
【図7B】ＥＢＳＤ画像より得られた結晶粒の幅と長さを，造形物高さに対して図示したものである。
【図8】本発明の一実施例を示す、硬さ試験の結果を示す図で、造形物の高さ方向の分布を示している。
【図9】本発明の一実施例を示す、赤外線カメラによる造形物の計測温度分布の説明図で、造形物の部位毎に示してある。
【図10】本発明の一実施例を示す、赤外線カメラによる造形物の計測温度分布の説明図で、造形物の高さ方向の分布を示している。
【図11】有限要素法による熱解析を用いた、造形物の計測温度分布の説明図で、造形物の高さ方向の分布を示している。
【図12】有限要素法による熱解析を用いた、造形物の計測温度分布の説明図で、造形物の部位毎に示してある。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す造形物の正面図である。本発明の立体造形物の造形方法は、金属粉末積層造形装置を用いて造形物層を積層した立体造形物１０を製造する方法である。立体造形物１０は、基台２０、細棒支持部３０、テーパ形状部４０、本体部５０を備えるもので、本体部５０が最終的な製造目的物となる。そこで、最終的な製造目的物である本体部５０を得るためには、本体部５０からテーパ形状部４０を除去する工程、又はテーパ形状部４０から細棒支持部３０を除去する工程を有するとよい。
図１は、本発明の一実施例を示す造形物の正面図である。本発明の立体造形物の造形方法は、金属粉末積層造形装置を用いて造形物層を積層した立体造形物１０を製造する方法である。立体造形物１０は、基台２０、細棒支持部３０、テーパ形状部４０、本体部５０を備えるもので、本体部５０が最終的な製造目的物となる。そこで、最終的な製造目的物である本体部５０を得るためには、本体部５０からテーパ形状部４０を除去する工程、又はテーパ形状部４０から細棒支持部３０を除去する工程を有するとよい。
【0015】
基台２０は、細棒支持部３０の一端が結合した部位で、細棒支持部３０とテーパ形状部４０で連結された状態の立体造形物１０の取扱いを容易にするために設けられる。この実施例では、基台２０の形状は円板型をしており、外径Φ２が１４ｍｍ、厚さ（Ｈ０－Ｈ１）が５ｍｍとなっているが、この形状に限定されるものではない。
【0016】
細棒支持部３０は、基台２０と一端が接続される棒状の部材で、熱抵抗が所定値となる形状を有するもので、例えば外径Φ１が２．５ｍｍ、長さ（Ｈ１－Ｈ２）が１０ｍｍとなっている。細棒支持部３０の熱抵抗が所定値となる形状は、本体部５０を造形する工程において、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射による前記造形物層を形成する工程での前記造形物層の昇温が、前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間を充足するように定められるとよい。造形物層の熱処理温度と熱処理時間は、前記造形物層の前記粉末材料の結晶粒子形状が所定の結晶粒径を保持するように定められるとよい。
【0017】
テーパ形状部４０は、本体部５０と細棒支持部３０とを構造的に連結するもので、例えば高さＨ２の位置では細棒支持部３０と同じ断面形状となっており、高さＨ３の位置では本体部５０と同じ断面形状となっている。テーパ形状部４０の長さ（Ｈ２－Ｈ３）が５ｍｍとなっている。テーパ形状部４０の傘形状は、細棒支持部３０側から本体部５０側に拡大する形状を有すると共に、拡大する角度は全角で６０度以上１２０度以下であるとよく、ここでは大略９８度となっている。
【0018】
本体部５０は、この実施例では断面円形の丸棒形状であり、外径Φ２が１４ｍｍ、長さ（Ｈ４－Ｈ３）が３０ｍｍとなっているが、この形状に限定されるものではなく、例えばタービン静翼やタービン動翼のような凹曲面を有する殻形状であってもよい。
【0019】
このような形状を有する造形物は、例えば、ドイツ連邦共和国、リューベック（Lubeck）市に所在するＳＬＭソリューション社製のＳＬＭ２８０という金属粉末積層造形装置を用いて製造される。金属粉末積層造形装置は、例えば前述の特許文献２等で公知である。
【0020】
［レーザ金属粉末積層造形装置の概要］
図２は、本発明の粉末床溶融結合法に用いる金属粉３Ｄプリンタの一実施例を示す、全体機能ブロック図である。図２を参照して、積層造形装置１００は、例えば、レーザ積層造形装置である。積層造形装置１００は、レーザ装置１１０と、ガルバノミラー１２０と、制御装置１３０と、チャンバ２００とを備える。
図２は、本発明の粉末床溶融結合法に用いる金属粉３Ｄプリンタの一実施例を示す、全体機能ブロック図である。図２を参照して、積層造形装置１００は、例えば、レーザ積層造形装置である。積層造形装置１００は、レーザ装置１１０と、ガルバノミラー１２０と、制御装置１３０と、チャンバ２００とを備える。
【0021】
レーザ装置１１０は、レーザ光を出射する。レーザ装置１１０はたとえば、ファイバーレーザやＣＯ２レーザ等である。レーザ装置１１０には、レンズ系（図示せず）を設けてもよい。レンズ系は、レーザ装置１１０からレーザ光を受け、レーザ光を収束してレーザ１１２を形成する。ガルバノミラー１２０は、レーザ１１２の照射操作を行う。つまり、ガルバノミラー１２０により、レーザ１１２が照射される位置が調整される。
【0022】
チャンバ２００は、層形成室２１０と、造形テーブル２３０と、粉末供給室２２０と、リコータ２５０とを備える。レーザ１１２の照射操作の際に、金属粉末粒子１４０が酸化されるのを防止するため、チャンバ２００内は不活性ガス（アルゴン、窒素等）を充填された状態を維持するか、或いは真空状態に維持される。
【0023】
層形成室２１０は、上端に開口を有する筐体状である。造形テーブル２３０は、層形成室２１０に収納され、上下方向に昇降可能に支持される。造形テーブル２３０は、図示しないモータにより昇降する。
【0024】
粉末供給室２２０は、層形成室２１０の隣に配置される。粉末供給室２２０は筐体状であり、上下方向に昇降可能なピストン２４０を内部に備える。ピストン２４０上には、金属粉末粒子１４０が積層されている。金属粉末粒子１４０は、造形物の原料となる。ピストン２４０が上昇することにより、層形成室２１０の上部開口から金属粉末粒子１４０の層が排出される。金属粉末粒子１４０は、例えば、耐熱性の高いニッケル其超合金、コバルト其超合金、鉄其超合金の金属粉末で、商品名として、例えばハステロイがある。なお、金属粉末粒子１４０に代えて、Ａｌ２Ｏ３等に代表されるセラミックスを金属粉末粒子１４０と共に用いてもよく、またセラミックス粒子のような無機粉末粒子を単体で用いてもよい。
【0025】
リコータ２５０は、粉末供給室２２０の上部開口の近傍に配置される。リコータ２５０は、図示しないモータにより特定方向（水平方向）に移動し、粉末供給室２２０及び層形成室２１０の間を往復する。図２では、リコータ２５０は、Ｘ方向に往復移動する。
リコータ２５０は、Ｘ方向に移動することにより、粉末供給室２２０から排出された金属粉末粒子１４０の層を水平方向に移動させて層形成室２１０に供給する。層形成室２１０の造形テーブル２３０上に堆積された金属粉末粒子１４０により、造形テーブル２３０上に金属粉末粒子１４０からなる金属粉末層２６０が形成される。リコータ２５０がＸ方向に移動することにより、金属粉末粒子１４０が水平方向に移動し、金属粉末層２６０の表面を平坦に整える。
リコータ２５０は、Ｘ方向に移動することにより、粉末供給室２２０から排出された金属粉末粒子１４０の層を水平方向に移動させて層形成室２１０に供給する。層形成室２１０の造形テーブル２３０上に堆積された金属粉末粒子１４０により、造形テーブル２３０上に金属粉末粒子１４０からなる金属粉末層２６０が形成される。リコータ２５０がＸ方向に移動することにより、金属粉末粒子１４０が水平方向に移動し、金属粉末層２６０の表面を平坦に整える。
【0026】
制御装置１３０は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、メモリと、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤという）とを備える。ＨＤＤには、周知のＣＡＤ（Computer Aided Design）アプリケーションとＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）アプリケーションとが格納される。制御装置１３０は、ＣＡＤアプリケーションを利用して、製造したい造形物の３次元形状データを作成する。
【0027】
制御装置１３０はさらに、ＣＡＭアプリケーションを利用して、３次元データに基づいて、加工条件データを作成する。積層造形法では、レーザ１１２により形成される複数の造形物部が積層されて造形物が形成される。加工条件データは、各造形物部が形成されるときの加工条件を含む。つまり、加工条件データは、各造形物部ごとに作成される。制御装置１３０は、加工条件データに基づいてレーザ装置１１０、レンズ系及びガルバノミラー１２０を制御して、レーザ１１２の出力、走査速度、走査間隔及び照射位置を調整する。
【0028】
［製造プロセスの詳細］
図３及び図４は、本発明の一実施例を示す立体造形物の造形方法のフローチャートである。金属粉末積層造形装置では、上記造形物を図３及び図４に示すようなフローチャートに従い、次の工程で製造する。
金属粉末積層造形装置の事前準備工程として、真空ポンプを用いて、チャンバ２００を真空に引く。チャンバ２００内が真空になった後、チャンバ２０内に不活性ガス（アルゴン、窒素等）を供給する。なお、層形成室２１０の造形テーブル２３０は予熱されていてもよい。
図３及び図４は、本発明の一実施例を示す立体造形物の造形方法のフローチャートである。金属粉末積層造形装置では、上記造形物を図３及び図４に示すようなフローチャートに従い、次の工程で製造する。
金属粉末積層造形装置の事前準備工程として、真空ポンプを用いて、チャンバ２００を真空に引く。チャンバ２００内が真空になった後、チャンバ２０内に不活性ガス（アルゴン、窒素等）を供給する。なお、層形成室２１０の造形テーブル２３０は予熱されていてもよい。
【0029】
次に、金属粒子を含む粉末材料の薄層である金属粉末層２６０を形成する（Ｓ１００）。次に、前記薄層にレーザ光を選択的に照射して、前記粉末材料に含まれる金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成する（Ｓ１１０）。前記薄層を形成する工程と前記造形物層を形成する工程とをこの順に複数回繰り返し、前記造形物層を積層する（Ｓ１２０）。
【0030】
造形物層を積層する工程（Ｓ１２０）では、まず、最初に基台２０を造形する（Ｓ１２２）。次に、細棒支持部３０を造形する（Ｓ１２４）。続いて、細棒支持部３０と連結したテーパ形状部４０を造形する（Ｓ１２６）。次に、テーパ形状部４０と連結した本体部５０を造形する（Ｓ１２８）。本体部を造形する工程では、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射による前記造形物層を形成する工程での前記造形物層の昇温が、前記造形物層の熱処理温度と熱処理時間を充足するように定められ、その結果、本体部５０に位置する造形物層の粉末材料の結晶粒子形状が所定の結晶粒径を保持する（Ｓ１２９）。
そして、本体部５０からテーパ形状部４０を除去するか、又はテーパ形状部４０から細棒支持部３０を除去して（Ｓ１３０）、目的とする本体部５０の形状をえる（Ｓ１３２）。
このようにして、目的とする立体造形物の形状をえる（Ｓ１４０）。
そして、本体部５０からテーパ形状部４０を除去するか、又はテーパ形状部４０から細棒支持部３０を除去して（Ｓ１３０）、目的とする本体部５０の形状をえる（Ｓ１３２）。
このようにして、目的とする立体造形物の形状をえる（Ｓ１４０）。
【実施例0031】
今回の実施例では、金属粉末の原料粉末として、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ合金を用いている。この金属粉末の場合、メーカのHayes Internationalのドキュメントでは、硬度と結晶粒サイズとして、１１７７℃で溶体化処理した材料の硬度と結晶粒度が挙げられている。定型的なＡＳＴＭ結晶粒度としての２－５は、結晶粒径の平均値が６０－１８０μｍに相当している。
【表1】
【0032】
図５は、本発明の一実施例を示す、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による造形物の切断面の微細組織を示す写真図で、（Ａ）は基台２０、（Ｂ）はテーパ部４０、（Ｃ）は本体部５０を示している。
また、図６は、本発明の一実施例を示す、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）による造形物の切断面の結晶粒を示す写真図で、（Ａ）は基台２０、（Ｂ）はテーパ部４０、（Ｃ）は本体部５０を示している。
また、図６は、本発明の一実施例を示す、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）による造形物の切断面の結晶粒を示す写真図で、（Ａ）は基台２０、（Ｂ）はテーパ部４０、（Ｃ）は本体部５０を示している。
【0033】
図７は、ＥＢＳＤ画像より得られた結晶粒の幅と長さを、造形物高さに対して図示したものである。なお、結晶粒の計測は、「ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０２０ 鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」と同様に、１本の直線と結晶粒界との交点の数を数え、その線長を交点数で除することで求めた。造形方向（高さ方向）に細長く結晶粒が成長していたため、画像横方向（造形方向に垂直）と画像縦方向（造形方向に平行）に線を引き、それぞれを結晶粒の幅と長さとした。
図７より、基台２０の結晶粒は、幅２５μｍ以下、長さ５０μｍ以下である。テーパ部では、造形高さが１５ｍｍから２０ｍｍにかけて結晶粒の幅が２７．５μｍから３３．２μｍ、長さが５５．７μｍから８４．５μｍへと大きくなっている。一方、本体部５０μｍに位置する造形物の結晶粒は、幅３０μｍ以上５０μｍ以下、長さ６０μｍ以上１５５μｍ以下である。即ち、基台２０と比較して、本体部５０やテーパ形状部４０では組織が粗大化している。
図７より、基台２０の結晶粒は、幅２５μｍ以下、長さ５０μｍ以下である。テーパ部では、造形高さが１５ｍｍから２０ｍｍにかけて結晶粒の幅が２７．５μｍから３３．２μｍ、長さが５５．７μｍから８４．５μｍへと大きくなっている。一方、本体部５０μｍに位置する造形物の結晶粒は、幅３０μｍ以上５０μｍ以下、長さ６０μｍ以上１５５μｍ以下である。即ち、基台２０と比較して、本体部５０やテーパ形状部４０では組織が粗大化している。
【0034】
図８は、本発明の一実施例を示す、硬さ試験の結果を示す図で、造形物の高さ方向の分布を示している。本体部５０に相当する高さ（Ｈ４－Ｈ３）の範囲を示す高さ２０－５０ｍｍでは、ビッカース硬さＨｖは１９０－２２０を示している。これに対して、テーパ形状部４０に相当する高さ（Ｈ２－Ｈ３）の範囲を示す高さ１５－２０ｍｍでは、ビッカース硬さＨｖは２1０－２5０を示している。また、細棒支持部３０に相当する高さ（Ｈ１－Ｈ２）の範囲を示す高さ５－１５ｍｍでは、ビッカース硬さＨｖは２６５－２７５を示している。基台２０に相当する高さ（Ｈ０－Ｈ１）の範囲を示す高さ０－５ｍｍでは、ビッカース硬さＨｖは２６５－２７５を示している。即ち、本体部５０はテーパ形状部４０や細棒支持部３０と比較して、材料が軟化している。
【0035】
図９は、本発明の一実施例を示す、赤外線カメラによる造形物の計測温度分布の説明図で、造形物の部位毎に示してある。赤外線カメラは、Ｔｅｌｏｐｓ社製のＦＡＳＴ Ｍ３５０である。計測温度分布の測定は、フレームレートが４Ｈｚ、露出時間は１００μｓで行った。図は、各層のレーザ照射直後の計測温度分布を示している。
なお、金属粉末積層造形装置による本実施例の積層数は１６６８層であり、高さは５０ｍｍ、第一層からの加工に要した経過時間は５時間３２分５７秒であった。造形高さと積層数は、図１のＨ１で４．９８ｍｍ、第１６７層であり、Ｈ２で１５．００ｍｍ、第５００層、Ｈ３で１９．９８ｍｍ、第６６７層であった。また、造形時間はＨ１までで３３分１３秒、Ｈ２までで１時間３９分５０秒、Ｈ３までで２時間１３分１秒であった。
なお、金属粉末積層造形装置による本実施例の積層数は１６６８層であり、高さは５０ｍｍ、第一層からの加工に要した経過時間は５時間３２分５７秒であった。造形高さと積層数は、図１のＨ１で４．９８ｍｍ、第１６７層であり、Ｈ２で１５．００ｍｍ、第５００層、Ｈ３で１９．９８ｍｍ、第６６７層であった。また、造形時間はＨ１までで３３分１３秒、Ｈ２までで１時間３９分５０秒、Ｈ３までで２時間１３分１秒であった。
【0036】
図１０は、本発明の一実施例を示す、赤外線カメラによる造形物最表面の計測温度分布の説明図で、造形物の高さ方向の分布を示している。縦軸は温度分布であり、横軸は造形時間である。フレームレートが４Ｈｚであり、温度測定値は２０フレーム（５秒）毎の移動平均を示している。
基台２０は、時間が０－１９９３秒の範囲で、計測温度分布が５０－３００℃の範囲にあった。細棒支持部３０は、時間が１９９４－５９９０秒の範囲で、計測温度分布が５０－２００℃の範囲にあった。テーパ形状部４０は、時間が５９９１－７９８１秒の範囲で、計測温度分布が１００－１１００℃の範囲まで、細棒支持部３０に近い側で低く、本体部５０に近づくにつれて温度が上昇した。これに対して、本体部５０は、時間が７９８２－１９９７７秒の範囲で、テーパ形状部４０に近い部位では、計測温度分布が１０００－１１００℃と高くなり、本体部５０の天端に近い部位では、計測温度分布が８００－９００℃と若干低下した。
基台２０は、時間が０－１９９３秒の範囲で、計測温度分布が５０－３００℃の範囲にあった。細棒支持部３０は、時間が１９９４－５９９０秒の範囲で、計測温度分布が５０－２００℃の範囲にあった。テーパ形状部４０は、時間が５９９１－７９８１秒の範囲で、計測温度分布が１００－１１００℃の範囲まで、細棒支持部３０に近い側で低く、本体部５０に近づくにつれて温度が上昇した。これに対して、本体部５０は、時間が７９８２－１９９７７秒の範囲で、テーパ形状部４０に近い部位では、計測温度分布が１０００－１１００℃と高くなり、本体部５０の天端に近い部位では、計測温度分布が８００－９００℃と若干低下した。
【0037】
図１１は、有限要素法による熱解析を用いた、造形物の計測温度分布の説明図で、造形物の高さ方向の分布を示している。
基台２０に相当する部位では、温度分布が５０－４００℃であった。細棒支持部３０に相当する部位では、温度分布が１００－４００℃であった。テーパ形状部４０に相当する部位では、温度分布が１５０－１３００℃であった。これらの部位では、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射によるエネルギも、基台２０側に拡散して、加工部位の温度が上昇しない。
本体部５０のテーパ形状部４０に近い部位では、表面温度分布が１１５０－１２５０℃であった。これらの部位では、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射によるエネルギが、細棒支持部３０での熱抵抗の高さによって基台２０側に拡散することが防止されて、加工部位である本体部５０の加工温度が１１５０－１２５０℃に維持される。
基台２０に相当する部位では、温度分布が５０－４００℃であった。細棒支持部３０に相当する部位では、温度分布が１００－４００℃であった。テーパ形状部４０に相当する部位では、温度分布が１５０－１３００℃であった。これらの部位では、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射によるエネルギも、基台２０側に拡散して、加工部位の温度が上昇しない。
本体部５０のテーパ形状部４０に近い部位では、表面温度分布が１１５０－１２５０℃であった。これらの部位では、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射によるエネルギが、細棒支持部３０での熱抵抗の高さによって基台２０側に拡散することが防止されて、加工部位である本体部５０の加工温度が１１５０－１２５０℃に維持される。
【0038】
図１２は、有限要素法による熱解析を用いた、造形物の計測温度分布の説明図で、造形物の部位毎に示してある。
有限要素法は、Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製のソフトウェアＡＢＡＱＵＳ ２０１９を使用した。金属粉末積層造形装置による一層当たりの熱解析を有限要素法にて行った。有限要素法による表面温度計算によると、基台２０に相当する層では、温度分布が５０－２５０℃であった。細棒支持部３０に相当する層では、温度分布が５０－８５０℃の範囲まで、細棒支持部３０に近い側で低く、本体部５０に近づくにつれて温度が上昇した。本体部５０のテーパ形状部４０に近い部位では、温度分布が８００－９５０℃であった。
有限要素法は、Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製のソフトウェアＡＢＡＱＵＳ ２０１９を使用した。金属粉末積層造形装置による一層当たりの熱解析を有限要素法にて行った。有限要素法による表面温度計算によると、基台２０に相当する層では、温度分布が５０－２５０℃であった。細棒支持部３０に相当する層では、温度分布が５０－８５０℃の範囲まで、細棒支持部３０に近い側で低く、本体部５０に近づくにつれて温度が上昇した。本体部５０のテーパ形状部４０に近い部位では、温度分布が８００－９５０℃であった。
【0039】
なお、上記実施形態においては、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射によるエネルギを本体部５０の加工部位に滞留させて、基台側への熱拡散を細棒支持部３０での高い熱抵抗によって防止する場合を示したが、本発明はこの実施例に限定されるものでなく、当業者にとって自明な範囲で、各種の態様の実施例がありえる。
【産業上の利用可能性】
【0040】
本発明の粉末床溶融結合法によれば、金属粉末積層造形装置によるレーザ光照射によるエネルギを本体部５０の加工部位に滞留させて、基台側への熱拡散を細棒支持部３０での高い熱抵抗によって防止するので、本体部５０を構成する造形物層の粉末材料の結晶粒子形状が大きな結晶粒径を保持するので、造形プロセス後の熱処理による金属組織の粗大化、相変態・析出などで力学特性の改善等の後加工が省略できる。
【符号の説明】
【0041】
１０：立体造形物
２０：基台
３０：細棒支持部
４０：テーパ形状部
５０：本体部
１００：積層造形装置
１１０：レーザ装置
１１２：レーザ
１２０：ガルバノミラー
１３０：制御装置
１４０：金属粉末粒子
２００：チャンバ
２１０：層形成室
２２０：粉末供給室
２３０：造形テーブル
２５０：リコータ
２６０：金属粉末層
２０：基台
３０：細棒支持部
４０：テーパ形状部
５０：本体部
１００：積層造形装置
１１０：レーザ装置
１１２：レーザ
１２０：ガルバノミラー
１３０：制御装置
１４０：金属粉末粒子
２００：チャンバ
２１０：層形成室
２２０：粉末供給室
２３０：造形テーブル
２５０：リコータ
２６０：金属粉末層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
