特開 2024-178554 積層造形物の製造方法

(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】P2024178554

(43)【公開日】2024-12-25

(54)【発明の名称】積層造形物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/50 20210101AFI20241218BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20241218BHJP

   B22F 10/64 20210101ALI20241218BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20241218BHJP

   B22F 10/34 20210101ALI20241218BHJP

   B22F 10/368 20210101ALI20241218BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241218BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20241218BHJP

【ＦＩ】

B22F10/50

B22F10/28

B22F10/64

B22F1/00 S

B22F10/34

B22F10/368

B33Y10/00

B33Y40/20

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023096768

(22)【出願日】2023-06-13

(71)【出願人】

【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弁理士法人

(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

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼山 翼

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA24

4K018BA14

4K018CA44

4K018EA60

4K018FA08

(57)【要約】

【課題】積層造形物を高品質に造形することが可能であり、且つマルテンサイト変態開始温度が２００℃以上の金属材料に対して有効な積層造形物の製造方法を提供する。
【解決手段】
本発明によれば、積層造形物の製造方法であって、造形温度Ｔ１に調整された造形テーブル上に、焼戻し処理に伴い膨張する金属材料を含む材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、材料層にレーザ光等を照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、固化層を積層する固化層形成工程と、所定数又は所定厚み分の固化層が新たに形成されるごとに、固化層を造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２まで昇温させ所定時間温度保持した後に造形温度Ｔ１まで降温させる、加熱膨張処理工程とを備え、金属材料のマルテンサイト変態開始温度は、２００℃以上であり、Ｔ１＜Ｔ２≦３５０℃及び５０℃≦Ｔ２－Ｔ１≦２００℃の関係が満たされる製造方法が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層造形物の製造方法であって、
造形温度に調整された造形テーブル上に、焼戻し処理に伴い膨張する金属材料を含む材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層の所定領域にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、前記固化層を積層する固化層形成工程と、
所定数又は所定厚み分の前記固化層が新たに形成されるごとに、前記固化層を前記造形温度から加熱温度まで昇温させ前記加熱温度に所定時間保持した後に前記造形温度まで降温させる、加熱膨張処理工程とを備え、
前記金属材料のマルテンサイト変態開始温度は、２００℃以上であり、
前記造形温度をＴ１、前記加熱温度をＴ２とすると、
下記式（１）及び（２）の関係が満たされる、製造方法。
Ｔ１＜Ｔ２≦３５０℃ （１）
５０℃≦Ｔ２－Ｔ１≦２００℃ （２）

【請求項2】

請求項１に記載の製造方法であって、
前記加熱温度は、２００℃以上３５０℃以下である、製造方法。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の製造方法であって、
前記金属材料は、高速度鋼である、製造方法。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の製造方法であって、
前記積層造形物の造形完了後に、前記固化層を前記造形温度から前記加熱温度まで昇温させ前記加熱温度に所定時間保持する造形後加熱工程と、
前記造形後加熱工程の後に、前記固化層を前記加熱温度から常温まで徐冷する徐冷工程とをさらに備える、製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形物の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

三次元造形物の積層造形においては、種々の方式が知られている。例えば、粉末床溶融結合法では、造形テーブル上の造形領域に材料粉体からなる材料層を形成し、レーザ光又は電子ビームを走査して材料層の所定位置に照射することで、材料層を焼結又は溶融させて固化層を形成する。そして、材料層及び固化層の形成を繰り返すことによって固化層が積層され、所望の三次元造形物が製造される。

【0003】

特許文献１には、１層又は複数層の固化層を形成するごとに意図的にマルテンサイト変態を進行させ、金属の収縮による引張応力をマルテンサイト変態に伴う膨張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で、造形物の変形や割れを抑制可能な積層造形物の製造方法が開示されている。具体的には、第１温度をＴ１、第２温度をＴ２、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓ、固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆとすると、Ｍｆ≦Ｔ１、Ｔ２＜Ｔ１、及びＴ２≦Ｍｓを満たす温度条件で、固化層を第１温度から第２温度まで冷却してマルテンサイト変態を進行させる。マルテンサイト変態量（膨張量）は、上述の温度条件の下で第１温度及び第２温度を適切に設定することで制御可能である。また、固化層の温度調整は、例えば、加熱器及び冷却器により構成される温度調整装置を造形テーブルに設け、温度調整装置により造形テーブルを第１温度又は第２温度に対応する設定温度に調整することで可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【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】

【0005】

一般的な仕様の積層造形装置において、造形テーブルの設定温度の上限は約２００～３５０℃である。従って、マルテンサイト変態開始温度が２００℃以上の比較的高温である金属材料を用いた積層造形に特許文献１の方法を適用する場合、上述の温度条件を満たす第１温度の設定可能範囲が制限され、造形物の変形や割れを十分に抑制することが困難であった。設定温度の上限がより高い特殊仕様の造形テーブルを導入することも考えられるが、造形テーブルを非常に高温とすることによる周辺部材の熱変位等の影響が懸念される。

【0006】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、積層造形物を高品質に造形することが可能であり、且つマルテンサイト変態開始温度が２００℃以上の金属材料に対して有効な積層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】

本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］積層造形物の製造方法であって、造形温度に調整された造形テーブル上に、焼戻し処理に伴い膨張する金属材料を含む材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層の所定領域にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、前記固化層を積層する固化層形成工程と、所定数又は所定厚み分の前記固化層が新たに形成されるごとに、前記固化層を前記造形温度から加熱温度まで昇温させ前記加熱温度に所定時間保持した後に前記造形温度まで降温させる、加熱膨張処理工程とを備え、前記金属材料のマルテンサイト変態開始温度は、２００℃以上であり、前記造形温度をＴ１、前記加熱温度をＴ２とすると、下記式（１）及び（２）の関係が満たされる、製造方法。Ｔ１＜Ｔ２≦３５０℃（１）５０℃≦Ｔ２－Ｔ１≦２００℃（２）
［２］［１］に記載の製造方法であって、前記加熱温度は、２００℃以上３５０℃以下である、製造方法。
［３］［１］又は［２］に記載の製造方法であって、前記金属材料は、高速度鋼である、製造方法。
［４］［１］から［３］の何れか１項に記載の製造方法であって、前記積層造形物の造形完了後に、前記固化層を前記造形温度から前記加熱温度まで昇温させ前記加熱温度に所定時間保持する造形後加熱工程と、前記造形後加熱工程の後に、前記固化層を前記加熱温度から常温まで徐冷する徐冷工程とをさらに備える、製造方法。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る積層造形物の製造方法では、焼戻し処理に伴い膨張する金属材料を含む材料粉体が用いられ、また、加熱膨張処理工程において、所定数又は所定厚み分の固化層が新たに形成されるごとに、固化層を造形温度から加熱温度まで昇温させ所定時間保持した後に造形温度まで降温させる。これにより、金属の収縮による引張応力を加熱膨張処理工程における熱処理に伴う膨張による圧縮応力で軽減して造形物の残留応力を制御し、造形物の変形や割れを抑制することが可能となる。本発明の製造方法は、焼戻し処理に伴い膨張し、マルテンサイト変態開始温度が２００℃以上の金属材料に対して有効である。また、造形温度及び加熱温度は、上述の式（１）及び（２）の関係が満たされるように設定されるため、造形テーブルの設定温度の上限が約２００～３５０℃である一般的な仕様の積層造形装置により実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る積層造形装置１００の概略構成図である。

【図2】材料層形成装置３の斜視図である。

【図3】材料層形成装置３のリコータヘッド３２の上方からの斜視図である。

【図4】材料層形成装置３のリコータヘッド３２の下方からの斜視図である。

【図5】温度調整装置４２を備える造形テーブル４の分解斜視図である。

【図6】積層造形装置１００を用いた積層造形物の製造方法を示す図である。

【図7】積層造形装置１００を用いた積層造形物の製造方法を示す図である。

【図8】積層造形装置１００を用いた積層造形物の製造方法における、造形テーブル４の設定温度の変化を示すグラフである。

【図9】造形テーブル４上の造形物について、固化層形成工程及び加熱膨張処理工程における上面層の温度変化を示すグラフである。

【図10】造形テーブル４上の造形物について、造形後加熱工程及び徐冷工程における上面層の温度変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照し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特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。

【0011】

１．積層造形装置１００
図１は、本実施形態の積層造形法において用いられる積層造形装置１００の一例を示している。当該積層造形装置１００は、チャンバ１、材料層形成装置３、及び照射装置５を備える。チャンバ１内に配置される造形テーブル４上に設けられた造形領域Ｒにおいて、材料層９１及び固化層９２の形成を繰り返すことで、所望の積層造形物が形成される。積層造形装置１００により製造される積層造形物の用途は特に限定されないが、本発明は、金型として用いられる積層造形物の製造に特に好適に利用可能である。本発明は、例えば、プレス加工用の金型（以下、プレス金型と称する）等のような、より高い強度及びより高い剛性が求められる金型として用いられる積層造形物の製造に特に好適に利用可能である。

【0012】

１．１．チャンバ１
チャンバ１は、所望の積層造形物が形成される領域である造形領域Ｒを覆う。チャンバ１は、不活性ガス給排装置（不図示）に接続されている。不活性ガス給排装置は、チャンバ１に所定濃度の不活性ガスを供給し、これによりチャンバ１内が不活性ガスで充満される。また、固化層９２の形成に伴い発生するヒュームを含んだ不活性ガスは、チャンバ１から排出されて不活性ガス給排装置においてヒュームの除去処理を行ったうえでチャンバ１に供給されて再利用される。なお、本明細書において不活性ガスとは、材料層９１や固化層９２と実質的に反応しないガスであり、成形材料の種類に応じて窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等から適当なものが選択される。

【0013】

例えば図１に示すように、チャンバ１の上面には、照射装置５から出力されるレーザ光Ｌの透過窓となるウィンドウ１ａが設けられる。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成され、レーザ光Ｌの種類に応じて、石英ガラスもしくはホウケイ酸ガラス又はゲルマニウム、シリコン、ジンクセレンもしくは臭化カリウムの結晶等から選択される。例えば、レーザ光Ｌがファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。

【0014】

また例えば図１に示すように、チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うように汚染防止装置１７が設けられる。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とを備える。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には多数の細孔が設けられており、不活性ガス給排装置から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当該細孔を通じて清浄室１７ｅに充満され、開口部１７ｂから汚染防止装置１７の下方に向かって噴出される。このような構成により、ヒュームのウィンドウ１ａへの付着を防止し、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを排除することができる。

【0015】

１．２．材料層形成装置３
材料層形成装置３は、チャンバ１の内部に設けられる。図２に示すように、材料層形成装置３は、ベース３１と、ベース３１上に配置されるリコータヘッド３２とを備える。リコータヘッド３２は、モータ等の駆動機構を内蔵するリコータヘッド駆動装置３３によって水平１軸方向に往復移動可能に構成される。

【0016】

図３及び図４に示すように、リコータヘッド３２は、材料収容部３２ａと、材料供給口３２ｂと、材料排出口３２ｃとを備える。材料供給口３２ｂは、材料収容部３２ａの上面に設けられ、材料供給ユニット（不図示）から材料収容部３２ａに供給される材料粉体の受け口となる。材料排出口３２ｃは、材料収容部３２ａの底面に設けられ、材料収容部３２ａ内の材料粉体を排出する。材料排出口３２ｃは、材料収容部３２ａの長手方向に延びるスリット形状を有する。リコータヘッド３２の両側面には、平板状のブレード３２ｆｂ，３２ｒｂが設けられる。ブレード３２ｆｂ，３２ｒｂは、材料排出口３２ｃから排出される材料粉体を平坦化して、材料層９１を形成する。

【0017】

１．３．照射装置５
照射装置５は、材料層９１にレーザ光Ｌ又は電子ビームを照射して固化層９２を形成する。例えば図１に示すように、本実施形態の照射装置５は、チャンバ１の上方に設けられ、造形領域Ｒ内に形成される材料層９１の照射領域にレーザ光Ｌを照射して、材料粉体を溶融又は焼結して固化させ、固化層９２を形成する。図２に示すように、本実施形態の照射装置５は、レーザ光源５１と、フォーカス制御ユニット５３と、Ｘ軸ガルバノミラー５５ａ及びＹ軸ガルバノミラー５５ｂと、Ｘ軸ガルバノミラー５５ａ及びＹ軸ガルバノミラー５５ｂを各々回転させるアクチュエータ（不図示）とを備える。

【0018】

レーザ光源５１はレーザ光Ｌを生成する。レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結又は溶融可能であればよく、例えば、ファイバレーザ、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ等が用いられる。フォーカス制御ユニット５３は、内部に焦点制御レンズを備え、レーザ光Ｌを集光しスポット径を調整することができる。

【0019】

フォーカス制御ユニット５３を通過したレーザ光Ｌは、水平１軸方向であるＸ軸方向と、他の水平１軸方向であってＸ軸方向に直交するＹ軸方向に２次元に走査される。具体的には、レーザ光Ｌは、Ｘ軸ガルバノミラー５５ａにより反射されて造形領域ＲのＸ軸方向に走査され、Ｙ軸ガルバノミラー５５ｂにより反射されて造形領域ＲのＹ軸方向に走査される。Ｘ軸ガルバノミラー５５ａ及びＹ軸ガルバノミラー５５ｂにより反射されたレーザ光Ｌは、ウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒ内の材料層９１に照射され、これにより、固化層９２が形成される。

【0020】

なお、照射装置５は、上述の形態に限定されない。例えば、フォーカス制御ユニット５３に変えてｆθレンズが設けられてもよい。また、照射装置５は、レーザ光Ｌではなく電子ビームを照射して材料層９１を固化させることで固化層９２を形成するように構成されてもよい。具体的には、照射装置５を、電子を放出するカソード電極（不図示）と、電子を収束して加速するアノード電極（不図示）と、磁場を形成して電子ビームの方向を一方向に収束するソレノイド（不図示）と、被照射体である材料層９１と電気的に接続されカソード電極との間に電圧を印加するコレクタ電極（不図示）と、を含むよう構成してもよい。このとき、カソード電極およびアノード電極が電子ビームを出力する出力源の役割を果たし、ソレノイドが電子ビームを走査する走査手段の役割を果たす。なお、ウィンドウ１ａおよび汚染防止装置１７を省略し、カソード電極がチャンバ１内に突出するように設けられてもよい。また、電子ビームを照射する照射装置を用いる場合は、チャンバ１内の雰囲気を、真空に近い状態の貴ガス雰囲気下においてもよい。貴ガスは、希ガスと称されることもある。

【0021】

１．４．造形テーブル４
図１に示すように、造形テーブル４はチャンバ１内に配置され、造形テーブル４上の造形領域Ｒに造形物が形成される。造形テーブル４は、造形テーブル駆動装置４１によって駆動され鉛直方向に移動可能である。造形時には造形領域Ｒ内にベースプレート９０が配置され、材料層形成装置３によってベースプレート９０の上面に材料粉体が供給されて、材料層９１が形成される。

【0022】

積層造形装置１００は、材料層９１及び固化層９２の温度調整を行うための温度調整装置４２を備える。本実施形態では、造形テーブル４の内部に温度調整装置４２が設けられ、造形テーブル４を温度調整装置４２によって所定の温度に調整することで、造形テーブル４上の材料層９１及び固化層９２の温度調整を行なっている。図５に示すように、温度調整装置４２は、造形テーブル４を加熱するための加熱器４３と、造形テーブル４を冷却するための冷却器４４とを備える。

【0023】

具体的には、造形テーブル４は天板４ａ及び３つの支持板４ｂ，４ｃ，４ｄを備え、天板４ａとその下に配置された支持板４ｂとの間に天板４ａを加熱可能な加熱器４３が配置され、支持板４ｂの下側の２枚の支持板４ｃ，４ｄの間に天板４ａを冷却可能な冷却器４４が配置されている。

【0024】

加熱器４３は、例えば、発熱体を有する電気ヒータ、又は内部に高温の熱媒を流通可能に構成された管状部材である。また、冷却器４４は、例えば、チラーやクーリングタワー等の冷媒循環装置（不図示）から供給された冷媒を流通可能に構成された管状部材を支持板４ｄ上に配置することで構成可能である。このような構成により、造形テーブル４の最上面の天板４ａを加熱又は冷却することで所定の温度に調整することができる。材料層９１及び固化層９２は、天板４ａとの間の直接的な伝熱、或いは天板４ａ上に配置されたベースプレート９０及び下側に形成された層を介した間接的な伝熱により、温度調整される。

【0025】

なお、温度調整装置４２の構成は、上述の実施形態の構成に限定されるものではない。本実施形態においては、冷却器４４の管状部材を支持板４ｃ，４ｄの間に挟むように配置しているが、例えば、支持板４ｃ，４ｄの一方又は両方の内部に冷媒を流通させるための管路を形成し、当該管路により冷却器４４を構成してもよい。或いは、天板４ａ及び３つの支持板４ｂ，４ｃ，４ｄを一体化された構造体とし、当該構造体の中に加熱器４３及び冷却器４４を構成してもよい。また、造形テーブル駆動装置４１の熱変位を防止するため、温度調整装置４２と造形テーブル駆動装置４１との間に一定の温度に保たれた恒温部を設けてもよい。

【0026】

２．金属材料
材料層９１の形成には、焼戻し処理に伴い膨張し且つマルテンサイト変態開始温度が２００℃以上である金属材料を含む材料粉体が用いられる。焼戻し処理は、焼入れ処理後の不安定な組織を有する金属材料を所定の温度に再加熱して温度保持した後に冷却することで、組織の変態又は析出を進行させ組織を安定化させて靭性を向上させる処理を意味する。上述の性質を有する金属材料を含む材料粉体を用いることで、後述する加熱膨張処理工程において、レーザ光Ｌの照射直後の温度低下に伴う金属の収縮による引張応力を加熱膨張処理工程における熱処理に伴う体積膨張による圧縮応力で軽減して、造形物の残留応力を制御し造形物の変形や割れを抑制することが可能となる。

【0027】

材料粉体として用いられる当該金属材料は、マルテンサイト変態開始温度が２００℃以上であり、好ましくは３００℃以上であり、より好ましくは３５０℃以上である。上述のように、マルテンサイト変態開始温度が比較的高温である場合、造形テーブル４の設定温度の上限が約２００～３５０℃である一般的な仕様の積層造形装置においては、特許文献１に開示される方法により造形物の変形や割れを十分に抑制することが困難であったが、本発明を適用することで高品質な造形を実現することが可能となる。

【0028】

焼戻し処理に伴い膨張し且つマルテンサイト変態開始温度が２００℃以上である金属材料として、ＪＩＳ Ｇ４４０３に定められる高速度鋼が例示される。高速度鋼としては、具体的には、モリブデン系高速度鋼（ＳＫＨ５０、ＳＫＨ５１、ＳＫＨ５２、ＳＫＨ５３、ＳＫＨ５４、ＳＫＨ５５，ＳＫＨ５６、ＳＫＨ５７、ＳＫＨ５８、ＳＫＨ５９、ＳＫＨ４０）、タングステン系高速度鋼（ＳＫＨ２、ＳＫＨ３、ＳＫＨ４、ＳＫＨ１０）が挙げられる。高速度鋼は、例えば、金型の材料として使用されている。高速度鋼は、例えば、プレス金型等のような、より高い強度及びより高い剛性が求められる金型の材料として使用されている。

【0029】

高速度鋼は、炭素を０．７３～１．６０質量％と比較的多く含有する。そのため、固化層９２がレーザ光Ｌ又は電子ビームの照射後の非常に高温な状態から常温まで急冷される過程において、炭化物が析出した箇所を起点として亀裂が進展して割れが生じやすい。急冷を回避するために、造形テーブル４を３００℃程度の比較的高温に設定して材料層９１及び固化層９２の温度調整を行いながら造形を行うことも行われてきたが、造形物のサイズが大きい場合には温度調整が不十分となり割れの抑制が非常に困難であった。また、高速度鋼は、マルテンサイト変態開始温度が３００～４００℃の比較的高温であるため、上述のように、本発明を適用することによる技術的意義が特に顕著である。

【0030】

材料粉体は、焼戻し処理に伴い膨張し且つマルテンサイト変態開始温度が２００℃以上である金属材料を、材料粉体全体の５０質量％以上含むことが好ましく、材料粉体全体の８０質量％以上含むことがより好ましく、材料粉体全体の９５質量％以上含むことがさらに好ましい。また、材料粉体を、焼戻し処理に伴い膨張し且つマルテンサイト変態開始温度が２００℃以上である金属材料のみで構成してもよい。

【0031】

また、ベースプレート９０は、材料粉体と同様の金属材料で構成してもよく、異なる組成の金属材料で構成してもよく、例えば鉄等の金属で構成してもよい。

【0032】

３．積層造形物の製造方法
次に、図６～図１０を参照して、上述の積層造形装置１００を用いた積層造形物の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法は、造形温度Ｔ１に調整された造形テーブル４上に、焼戻し処理に伴い膨張する金属材料を含む材料粉体を供給して材料層９１を形成する材料層形成工程と、材料層９１の所定領域にレーザ光Ｌ又は電子ビームを照射することにより固化層９２を形成する固化工程とを繰り返すことにより、固化層９２を積層する固化層形成工程と、所定数又は所定厚み分の固化層９２が新たに形成されるごとに、固化層９２を造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２まで昇温させ加熱温度Ｔ２に所定時間保持した後に造形温度Ｔ１まで降温させる、加熱膨張処理工程とを備える。また、本実施形態に係る製造方法は、積層造形物の造形完了後に、固化層９２を造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２まで昇温させ加熱温度Ｔ２に所定時間保持する造形後加熱工程と、造形後加熱工程の後に、固化層９２を加熱温度Ｔ２から常温Ｔｎまで徐冷する徐冷工程とをさらに備える。

【0033】

３．１．固化層形成工程
固化層形成工程は、材料層形成工程と固化工程とを備える。材料層形成工程では、造形領域Ｒに材料粉体からなる材料層９１を形成する。また、固化工程では、材料層９１の所定の照射領域に対してレーザ光Ｌを照射して固化層９２を形成する。材料層形成工程及び固化工程は繰り返し実施される。なお、以下の説明において、固化層形成工程により新たに形成された所定数又は所定厚み分の固化層９２を上面層と称する場合がある。

【0034】

まず、１回目の材料層形成工程が行われる。図８は、本実施形態の製造方法における、造形テーブル４の温度変化を示すグラフである。また、図９は、固化層形成工程及び加熱膨張処理工程における上面層の温度変化を示すグラフである。材料層形成工程を含む固化層形成工程において、造形テーブル４は造形温度Ｔ１に調整される。本実施形態では、温度調整装置４２の加熱器４３により天板４ａを加熱することで、造形テーブル４が造形温度Ｔ１に調整される。そして、造形温度Ｔ１に調整された造形テーブル４上にベースプレート９０を載置した状態で造形テーブル４の高さを適切な位置に調整する。この状態で、リコータヘッド３２を図６の左側から右側に移動させることにより、図７に示すように、ベースプレート９０上に１層目の材料層９１が形成される。材料層９１は、天板４ａからベースプレート９０を介した伝熱により、造形温度Ｔ１に予熱される。

【0035】

次に、１回目の固化工程が行われる。図７に示すように、１層目の材料層９１の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射することによって、１層目の材料層９１を固化させ、１層目の固化層９２を得る。ここで、固化工程において、造形テーブル４は造形温度Ｔ１に維持されている。新たに形成された固化層９２は、図９に示すように、レーザ光Ｌの照射直後は約１４００℃～１６００℃の非常に高温（温度Ｔｓ）であるが、照射完了後に造形テーブル４と熱平衡となるように温度が低下し、所定時間経過後に造形温度Ｔ１となる。金属は熱膨張係数が正であるため、このような温度低下に伴い体積が収縮する。しかし、ベースプレート９０や、隣接する層との密着により収縮量が制限されるため、造形物に引張応力が残留する。

【0036】

続いて、２回目の材料層形成工程が行われる。１層目の固化層９２を形成後、造形テーブル４の高さを材料層９１の１層分下げる。この状態で、リコータヘッド３２を造形領域Ｒの図７の右側から左側に移動させることにより、１層目の固化層９２を覆うように２層目の材料層９１が形成される。そして２回目の固化工程が行われる。上述と同様の方法で、２層目の材料層９１の所定の照射領域にレーザ光Ｌ又は電子ビームを照射することによって２層目の材料層９１を固化させ、２層目の固化層９２を得る。

【0037】

所望の三次元造形物が得られるまで、材料層形成工程及び固化工程が繰り返され、複数の固化層９２が積層される。隣接する固化層９２は、互いに強く固着される。

【0038】

３．２．加熱膨張処理工程
加熱膨張処理工程は、固化層形成工程により所定数又は所定厚み分の前記固化層９２が新たに形成されるごとに実施される。

【0039】

図９に示すように、加熱膨張処理工程においては、まず、材料層形成工程において造形テーブル４と熱平衡状態となり造形温度Ｔ１に維持されている固化層９２を、造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２に昇温させ、加熱温度Ｔ２に所定時間保持する。本実施形態では、温度調整装置４２の加熱器４３により天板４ａを加熱することで、造形テーブル４が加熱温度Ｔ２に調整され、固化層９２は、天板４ａからベースプレート９０及び下側に形成された層を介した伝熱により、加熱温度Ｔ２に調整されて温度保持される。

【0040】

続いて、固化層９２を造形温度Ｔ１まで降温させる。本実施形態では、温度調整装置４２の冷却器４４により天板４ａを冷却することで、造形テーブル４が加熱温度Ｔ２から造形温度Ｔ１に調整され、固化層９２は、天板４ａからベースプレート９０及び下側に形成された層を介した伝熱により、造形温度Ｔ１に調整される。なお、以下の説明において、加熱膨張処理工程において固化層９２を造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２に昇温させ、加熱温度Ｔ２に所定時間保持し、その後加熱温度Ｔ２から造形温度Ｔ１に降温させる一連の処理を加熱膨張処理と称する場合がある。

【0041】

造形温度Ｔ１及び加熱温度Ｔ２は、下記式（１）及び（２）の関係を満たすように設定される。
Ｔ１＜Ｔ２≦３５０℃ （１）
５０℃≦Ｔ２－Ｔ１≦２００℃ （２）
本実施形態では、一例として、造形温度Ｔ１は２００℃、加熱温度Ｔ２は３００℃に設定されている。

【0042】

なお、加熱膨張処理は、少なくとも上面層に対して実施されればよい。本実施形態では、造形テーブル４に温度調整装置４２が設けられているため、固化層９２が積層されて得られた固化体全体、すなわち、上面層及び上面層よりも下側の固化層９２に対して加熱膨張処理が実施される。

【0043】

加熱膨張処理における加熱温度Ｔ２は、一般的な焼戻し処理における加熱温度（一例として、高速度鋼の場合は５００℃以上）と比べてはるかに低い温度に設定される。従って、上述の加熱膨張処理は、焼戻し処理とは異なる熱処理であり、靭性の向上等の焼戻し処理の効果を奏するものではない。しかしながら、焼戻し処理に伴い膨張し且つマルテンサイト変態開始温度が２００℃以上である金属材料を含む材料粉体を用いた場合、上述のような関係を満たすように設定された造形温度Ｔ１及び加熱温度Ｔ２で固化層９２に対して加熱膨張処理を行うことで、焼戻し処理時と同様の体積膨張を発生させることができる。これにより、金属の収縮による引張応力を加熱膨張処理に伴う膨張による圧縮応力で軽減して造形物の残留応力を制御し、造形物の変形や割れを抑制することが可能となる。

【0044】

なお、造形温度Ｔ１及び加熱温度Ｔ２は、Ｔ１＜Ｔ２≦３５０℃の関係を満たし、好ましくは、Ｔ１＜Ｔ２≦３００℃の関係を満たす。この場合、一般的な仕様の積層造形装置においても容易に加熱膨張処理を実行可能であり、また、積層造形装置１００を構成する周辺部材への熱影響を抑制可能である。

【0045】

造形温度Ｔ１の下限値は特に限定されないが、造形温度Ｔ１は、例えば、１００℃以上であり、好ましくは１５０℃以上である。加熱温度Ｔ２は、造形物の残留応力をより効果的に制御するうえで、２００℃以上であることが好ましい。なお、加熱膨張処理に伴う体積膨張量は、造形温度Ｔ１と加熱温度Ｔ２の差（Ｔ２－Ｔ１）に依存し、差（Ｔ２－Ｔ１）が大きいほど体積膨張量が大きくなる。

【0046】

図９に示すように、加熱膨張処理工程において固化層９２を造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２へ昇温するのに要する時間（昇温時間）をｔ１、加熱温度Ｔ２に保持する時間（温度保持時間）をｔ２、加熱温度Ｔ２から造形温度Ｔ１へ降温するのに要する時間（降温時間）をｔ３とする。昇温時間ｔ１は１時間以上であることが好ましく、本実施形態では１時間に設定されている。温度保持時間ｔ２は、１時間以上であることが好ましく、本実施形態では１時間に設定されている。降温時間ｔ３は、１時間以上であることが好ましく、本実施形態では１時間に設定されている。

【0047】

なお、加熱膨張処理工程は、造形途中に行われ、固化層９２が１層形成される度に実施してもよく、複数層の固化層９２が新たに形成される度に実施してもよく、所定厚み（例えば、１～１０ｍｍ）分の固化層９２が新たに形成される度に実施してもよい。また、加熱膨張処理工程の実施サイクルは、造形の過程において変更されてもよい。また、積層造形の事前調査として行われる試験造形において、加熱膨張処理を実施せずに造形を行い、固化層９２の積層に伴って造形物に割れが発生した時点の積層数又は積層高さを調査し、当該積層数又は積層高さに基づき加熱膨張処理工程の実施サイクルを設定してもよい。この場合、例えば、当該積層数又は積層高さを超えない層数又は厚み分の固化層９２が新たに形成される度に加熱膨張処理工程を実施してもよい。

【0048】

３．３．造形後加熱工程及び徐冷工程
造形後加熱工程は、造形完了後、すなわち全ての固化層９２が形成された後に実施される。図１０に示すように、造形後加熱工程では、固化層９２を造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２まで昇温させて、加熱温度Ｔ２に所定時間保持する。造形後加熱工程の後に実施される工程である徐冷工程では、固化層９２を加熱温度Ｔ２から常温Ｔｎ（５℃～３５℃）まで徐冷する。本実施形態では、図１０に示すように、加熱温度Ｔ２から常温Ｔｎまで、所定時間ごとに、所定の温度分降温した後に温度保持することを繰り返して固化層９２を段階的に降温させることで徐冷を行う。これにより、造形の最終段階で形成された上面層についても加熱膨張処理と同様の熱処理を行って造形物の残留応力を制御することが可能となる。また、造形完了後に固化層９２が常温Ｔｎまで急冷されて、造形物に割れが発生することを抑制することができる。

【0049】

造形後加熱工程及び徐冷工程における固化層９２の温度調整は、図８に示すように、造形テーブル４を温度調整することで実施可能である。

【0050】

図１０に示すように、造形後加熱工程において固化層９２を造形温度Ｔ１から加熱温度Ｔ２へ昇温するのに要する時間（昇温時間）をｔ４、加熱温度Ｔ２に保持する時間（温度保持時間）をｔ５とする。昇温時間ｔ４は１時間以上であることが好ましく、本実施形態では１時間に設定されている。温度保持時間ｔ５は、１時間以上であることが好ましく、本実施形態では１時間に設定されている。

【0051】

また、徐冷工程において固化層９２を段階的に降温させる場合の１回の降温に要する時間である降温時間ｔ６は、１時間以上であることが好ましく、本実施形態では１時間に設定されている。また、降温後の温度保持時間ｔ７は、１時間以上であることが好ましく、本実施形態では１時間に設定されている。また、１回の降温での温度幅である降温幅ΔＴは、例えば、３０～７０℃であり、本実施形態では５０℃に設定されている。

【0052】

なお、徐冷工程は、本実施形態のように固化層９２を段階的に降温させる構成に限定されるものではない。例えば、固化層９２を比較的長時間に渡って連続的に降温させることで徐冷工程を実施してもよい。また、造形後加熱工程及び徐冷工程を実施せずに造形を終了してもよい。

【0053】

また、造形途中又は造形完了後に、チャンバ１内に設けられた機械加工装置９５により、固化層９２が積層されて得られた固化体の表面や不要部分に対して切削、研磨等の機械加工を施してもよい。上述の工程の完了後は、未固化の材料粉体及び切削屑を排出することによって、造形物を得る。

【0054】

４．他の実施形態
本発明は、以下の態様によっても実施することができる。

【0055】

上述の実施形態においては、温度調整装置４２を造形テーブル４の内部に設け、材料層９１及び固化層９２をベースプレート９０及び下側の層を介して下方から加熱又は冷却し温度調整を行った。温度調整装置４２の構成は、この例に限定されるものではなく、例えば、材料層９１及び固化層９２をその上方から加熱又は冷却する構成としてもよい。この場合、加熱器４３として、例えば、ハロゲンランプ等を用いることができる。また、冷却器４４を、チャンバ１に充満される不活性ガスと同種の冷却気体を材料層９１及び固化層９２に対して上方から吹き付ける送風機、又はペルチェ素子等によって冷却された冷却板を材料層９１及び固化層９２に上方から接触させる構成としてもよい。このような温度調整装置４２によれば、材料層９１、及び固化層９２のうち上面層を構成する部分をベースプレート９０及び下側の層を介さず直接造形温度Ｔ１及び加熱温度Ｔ２に温度調整することができ、多数層の固化層９２を形成した後でも迅速に温度調整を行うことができる。

【実施例0056】

以下、詳細な内容について実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【0057】

実施例１、実施例２、及び比較例１において、温度調整装置４２を備える造形テーブル４上に配置されたベースプレート９０の上面に積層造形により造形物を形成し、割れの発生の有無を確認した。

【0058】

＜実施例１＞
実施例１では、ベースプレート９０（材料：Ｓ５０Ｃ、縦１２５×横１２５×厚さ１５ｍｍの直方体形状）の上面に、高速度鋼であるＳＫＨ５１に相当する材料粉体（ヘガネス製、高速度鋼粉Ｍ２）を用いて造形物（縦２０×横２０×厚さ２０ｍｍの立方体形状）を、積層造形装置１００（株式会社ソディック製、ＯＰＭ２５０Ｌ、造形テーブル４の設定温度の上限値：３００℃）により造形した。固化層形成工程において、造形温度Ｔ１は２００℃に設定した。造形中、１ｍｍの固化層９２が新たに形成される度に、加熱膨張処理工程を実施した。加熱膨張処理工程では、加熱温度Ｔ２は３００℃、昇温時間ｔ１は１時間、温度保持時間ｔ２は１時間、降温時間ｔ３は１時間に設定した。造形完了後、造形後加熱工程及び徐冷工程を実施した。造形後加熱工程では、昇温時間ｔ４は１時間、温度保持時間ｔ５は１時間に設定した。徐冷工程では、降温時間ｔ６を１時間、温度保持時間ｔ７を１時間、降温幅ΔＴを５０℃に設定し、固化層９２を段階的に降温させることで徐冷を行った。

【0059】

＜実施例２＞
実施例２では、造形物を、縦８０×横８０×厚さ１０ｍｍの直方体形状としたこと以外は、実施例１と同じ条件で造形を行った。

【0060】

＜比較例１＞
比較例１では、造形物のサイズを、底面の半径が１０ｍｍ、高さが４５ｍｍの略円柱形状とした。固化層形成工程において、造形温度Ｔ１は３００℃に設定した。加熱膨張処理工程、造形後加熱工程、及び徐冷工程は実施しなかった。その他は、実施例１と同じ条件で造形を行った。

【0061】

＜結果＞
実施例１及び実施例２の造形物は、造形中、造形完了後、徐冷工程の実施から１週間経過後の何れにおいても、割れが発生しなかった。比較例１の造形物は、造形中に、造形物を高さ３５ｍｍまで造形した時点で造形物に割れが発生した。

【0062】

一般的に、造形物の水平方向のサイズが大きいほどレーザ光Ｌの照射直後の温度低下に伴う金属の収縮に起因する引張応力による割れが発生しやすい。比較例１においては造形物に割れが発生したのに対し、造形物のサイズがより大きい実施例２において割れが発生しなかったことから、加熱膨張処理工程の実施が造形物の割れの抑制に有効であることが分かる。

【0063】

以上、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0064】

１ ：チャンバ
１ａ ：ウィンドウ
３ ：材料層形成装置
４ ：造形テーブル
４ａ ：天板
４ｂ ：支持板
４ｃ ：支持板
４ｄ ：支持板
５ ：照射装置
１７ ：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 ：清浄室
３１ ：ベース
３２ ：リコータヘッド
３２ａ ：材料収容部
３２ｂ ：材料供給口
３２ｃ ：材料排出口
３２ｆｂ ：ブレード
３２ｒｂ ：ブレード
３３ ：リコータヘッド駆動装置
４１ ：造形テーブル駆動装置
４２ ：温度調整装置
４３ ：加熱器
４４ ：冷却器
５１ ：レーザ光源
５３ ：フォーカス制御ユニット
５５ａ ：Ｘ軸ガルバノミラー
５５ｂ ：Ｙ軸ガルバノミラー
９０ ：ベースプレート
９１ ：材料層
９２ ：固化層
９５ ：機械加工装置
１００ ：積層造形装置
Ｌ ：レーザ光
Ｒ ：造形領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】