特許 7122171 ３次元造形方法および３次元造形装置

(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】

(24)【登録日】2022-08-10

(45)【発行日】2022-08-19

(54)【発明の名称】３次元造形方法および３次元造形装置

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/366 20210101AFI20220812BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20220812BHJP

   B22F 12/43 20210101ALI20220812BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220812BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20220812BHJP

【ＦＩ】

B22F10/366

B22F10/28

B22F12/43

B33Y10/00

B33Y30/00

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018116749

(22)【出願日】2018-06-20

(65)【公開番号】P2019218599

(43)【公開日】2019-12-26

【審査請求日】2021-05-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000152675

【氏名又は名称】コマツＮＴＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】前花 英一

(72)【発明者】

【氏名】野田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】荒舘 亜弓

(72)【発明者】

【氏名】厨川 常元

(72)【発明者】

【氏名】水谷 正義

【審査官】中西 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５０２５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２５９８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２４１４５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １０／００－１２／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形対象物の上に金属の粉末の層を形成する層形成工程と、
前記層形成工程において形成された前記粉末の層にレーザ光を照射するレーザ光照射工程と、を含み、
前記レーザ光は、周波数が５～２００ｋＨｚ、パルス幅が５～２００μｓ、ピーク出力が２０～１００Ｗ、平均出力が２０～１００Ｗであるパルス状の出力波形を有しており、
前記レーザ光が前記粉末の層の上を走査する際において、前記粉末の層上で前記レーザ光の連続する２つのパルスによる照射スポットが重なる率である重なり率は、５０～９９．９％であり、
前記パルス幅は、パルスの頂部における出力と底部における出力との中間値を示す時間幅とし、
照射スポット径をＤ（μｍ）、周波数をＦ（ｋＨｚ）、走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、前記パルス幅をＡ（μｓ）としたとき、パルスの繰り返し時間Ｔ（ｓ）、パルス幅における移動距離Ｌｐ（μｍ）、パルスの繰り返し距離Ｌｔ（μｍ）、および前記重なり率Ｒ（％）は、以下の式
Ｔ＝１／（Ｆ×１０００）
Ｌｔ＝Ｓ×Ｔ×１０００
Ｌｐ＝Ｓ×Ａ／１０００
Ｒ＝（１－（（Ｌｔ－Ｌｐ）／Ｄ））×１００
によって求められることを特徴とする３次元造形方法。

【請求項2】

前記出力波形は、出力値が０Ｗよりも大きいベース出力と前記ピーク出力との間で繰返し変化する波形であることを特徴とする請求項１に記載の３次元造形方法。

【請求項3】

造形対象物の上に金属の粉末の層を形成する層形成装置と、
前記層形成装置によって形成された前記粉末の層にレーザ光を照射するレーザ光照射装置と、を備え、
前記レーザ光は、周波数が５～２００ｋＨｚ、パルス幅が５～２００μｓ、ピーク出力が２０～１００Ｗ、平均出力が２０～１００Ｗであるパルス状の出力波形を有しており、
前記レーザ光が前記粉末の層の上を走査する際において、前記粉末の層上で前記レーザ光の連続する２つのパルスによる照射スポットが重なる率である重なり率は、５０～９９．９％であり、
前記パルス幅は、パルスの頂部における出力と底部における出力との中間値を示す時間幅とし、
照射スポット径をＤ（μｍ）、周波数をＦ（ｋＨｚ）、走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、前記パルス幅をＡ（μｓ）としたとき、パルスの繰り返し時間Ｔ（ｓ）、パルス幅における移動距離Ｌｐ（μｍ）、パルスの繰り返し距離Ｌｔ（μｍ）、および前記重なり率Ｒ（％）は、以下の式
Ｔ＝１／（Ｆ×１０００）
Ｌｔ＝Ｓ×Ｔ×１０００
Ｌｐ＝Ｓ×Ａ／１０００
Ｒ＝（１－（（Ｌｔ－Ｌｐ）／Ｄ））×１００
によって求められることを特徴とする３次元造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３次元造形方法および３次元造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

３次元造形技術として、粉末床溶融結合法（以下、「ＰＢＦ（Powder Bed Fusion）法」という）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

ＰＢＦ法は、粉末をローラやブレードを用いて水平に敷き詰めたのちに、プログラムされたレーザ光を走査させることで粉末が溶融・結合し、その軌跡によって目的の形状を持った造形層を作る。その後、造形層を繰り返し積層することで、立体的な複雑形状が作られる。この手法では、粉末が溶融し製品の一部として塊となった部分と、その間を埋めている未溶融の粉末とが、下層部分に充墳されたままの状態で、順に新たな粉末が積層されていく。そして、最終的な立体製品が完成されるまで、未溶融の粉末が取り除かれることはない。この充填された未溶融の粉末が、その上層の構造体となる粉末の足場となることで、梁部分と柱部分とが入り組んだ形状を有する構造（以下、「梁構造」という）を造形することができる。

【0004】

このように、ＰＢＦ法は、除去加工では実現できない中空の複雑形状を作り出すことが可能である。特に、ラティス構造やポーラス構造等の梁構造は、ＰＢＦ法によって製作可能となる。この梁構造を既存の部品の形状の一部に適用することで、高強度かつ軽量な部品の製作が期待できるなど、様々な恩恵が得られる。例えば、梁構造を金属部品の一部に取り入れることによって、骨細胞の侵入を促しやすくするとともに中実構造と同等な強度特性を維持しつつ軽量化を達成した人工骨の製造が可能となる。その他にも、梁構造の適用による様々な製品の開発に注目が集まっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４－１２４２００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＰＢＦ法等の３次元造形技術において造形幅を狭小化するためには、加工パラメータとして、レーザ光の出力の引き下げや、レーザ光の走査速度（造形速度）の引き上げが、溶融領域が狭くなるので一般的に有効である。しかしながら、この方向の加工パラメータの調整は、ボーリング欠陥と呼ばれる目的の造形幅よりも大きい球状の塊を誘発しやすく、連続性のある造形体を得ることは困難である。

【0007】

熱源によって金属の粉末の粒子が直下の構造体に接合されるためには、粉末の粒子自体の溶融と、その直下の構造体における溶融池の形成とが必要であり、粉末の粒子と溶融池との混合、凝固によって接合が完了する。この場合において、出力の引き下げ等によって熱量が十分でないと、構造体に溶融池が形成されず、熱容量の小さい粉末の粒子のみが溶融し、表面張力によって周囲の粒子を取り込んで大きな塊になる。これがボーリング欠陥の原因の一つと考えられる。

【0008】

したがって、３次元造形技術で得られる造形体における連続性が確保される最小幅（造形幅）は、一般的に１５０μmを超えてしまい、梁構造を構成する梁部分や柱部分の微細化には限界があった。

【0009】

本発明は、より狭小な造形幅を有する造形体を造形することができる３次元造形方法および３次元造形装置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】

【0010】

前記課題を解決するため、本発明に係る３次元造形方法は、造形対象物の上に金属の粉末の層を形成する層形成工程と、前記層形成工程において形成された前記粉末の層にレーザ光を照射するレーザ光照射工程と、を含む。前記レーザ光は、周波数が５～２００ｋＨｚ、パルス幅が５～２００μｓ、ピーク出力が２０～１００Ｗ、平均出力が２０～１００Ｗであるパルス状の出力波形を有している。そして、前記レーザ光が前記粉末の層の上を走査する際において、前記粉末の層上で前記レーザ光の連続する２つのパルスによる照射スポットが重なる率である重なり率は、５０～９９．９％である。
前記パルス幅は、パルスの頂部における出力と底部における出力との中間値を示す時間幅とする。
照射スポット径をＤ（μｍ）、周波数をＦ（ｋＨｚ）、走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、前記パルス幅をＡ（μｓ）としたとき、パルスの繰り返し時間Ｔ（ｓ）、パルス幅における移動距離Ｌｐ（μｍ）、パルスの繰り返し距離Ｌｔ（μｍ）、および前記重なり率Ｒ（％）は、以下の式
Ｔ＝１／（Ｆ×１０００）
Ｌｔ＝Ｓ×Ｔ×１０００
Ｌｐ＝Ｓ×Ａ／１０００
Ｒ＝（１－（（Ｌｔ－Ｌｐ）／Ｄ））×１００
によって求められる。
なお、本発明において、Ｘ～Ｙは、Ｘ以上Ｙ以下を意味するものとする。

【0011】

本発明に係る３次元造形装置は、造形対象物の上に金属の粉末の層を形成する層形成装置と、前記層形成装置によって形成された前記粉末の層にレーザ光を照射するレーザ光照射装置と、を備えている。前記レーザ光は、周波数が５～２００ｋＨｚ、パルス幅が５～２００μｓ、ピーク出力が２０～１００Ｗ、平均出力が２０～１００Ｗであるパルス状の出力波形を有している。そして、前記レーザ光が前記粉末の層の上を走査する際において、前記粉末の層上で前記レーザ光の連続する２つのパルスによる照射スポットが重なる率である重なり率は、５０～９９．９％である。
前記パルス幅は、パルスの頂部における出力と底部における出力との中間値を示す時間幅とする。
照射スポット径をＤ（μｍ）、周波数をＦ（ｋＨｚ）、走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、前記パルス幅をＡ（μｓ）としたとき、パルスの繰り返し時間Ｔ（ｓ）、パルス幅における移動距離Ｌｐ（μｍ）、パルスの繰り返し距離Ｌｔ（μｍ）、および前記重なり率Ｒ（％）は、以下の式
Ｔ＝１／（Ｆ×１０００）
Ｌｔ＝Ｓ×Ｔ×１０００
Ｌｐ＝Ｓ×Ａ／１０００
Ｒ＝（１－（（Ｌｔ－Ｌｐ）／Ｄ））×１００
によって求められる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、より狭小な造形幅を有する造形体を造形することができる３次元造形方法および３次元造形装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。

【図2】レーザ光の出力波形を示すグラフである。

【図3】本実施形態に係る３次元造形方法の内容を示すフローチャートである。

【図4】パルス発振レーザを使用して造形する実験を行った場合の平均出力と造形幅との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。

【0015】

図１は、本発明の一実施形態に係る３次元造形装置１００の構成を示す図である。
本実施形態に係る３次元造形装置１００は、金属の粉末９０の層にレーザ光２５を照射することで３次元の造形体９１を作る３次元造形装置である。ここでは、３次元造形装置１００は、ＰＢＦ法による３次元造形装置である。

【0016】

図１に示すように、３次元造形装置１００は、層形成装置１０と、レーザ光照射装置２０と、制御装置６０とを備える。層形成装置１０は、チャンバ７０内に収容されている。

【0017】

層形成装置１０は、層形成室１１と、造形ステージ１２と、粉末供給室１３と、供給ステージ１４と、リコータ１５とを備える。

【0018】

層形成室１１は、上端に開口を有する筐体形状を呈している。層形成室１１内に、造形ステージ１２が収納されており、上下方向に昇降可能に支持されている。造形ステージ１２は、昇降装置１６によって昇降され得る。造形ステージ１２上には、造形対象物としての基材８０が配置される。

【0019】

粉末供給室１３は、層形成室１１に隣接して配置されている。粉末供給室１３は、上端に開口を有する筐体形状を呈している。粉末供給室１３内に、供給ステージ１４が収納されており、上下方向に昇降可能に支持されている。粉末供給室１３内の供給ステージ１４上には、粒子状の粉末９０が積層されている。供給ステージ１４は、昇降装置１７によって昇降され得る。供給ステージ１４が上昇することによって、粉末９０が粉末供給室１３の上端開口から上方へ盛り上げられる。

【0020】

リコータ１５は、粉末供給室１３の上端開口の近傍に配置されており、例えばローラやブレード等を備えている。リコータ１５は、図示しないモータによってＸ方向（水平方向）に移動し、粉末供給室１３と層形成室１１との間を往復する。

【0021】

リコータ１５は、Ｘ方向（右方向）に移動することによって、粉末供給室１３の上端開口から上方へ盛り上げられた粉末９０を水平方向に移動させて層形成室１１に供給する。そして、層形成室１１の造形ステージ１２上に堆積された粉末９０によって、造形ステージ１２上に粉末９０の層が形成される。

【0022】

金属の粉末９０としては、例えば、アルミ、鉄、ステンレス、チタン、および窒化金属等の合金が使用され得る。

【0023】

レーザ光照射装置２０は、層形成装置１０によって形成された粉末９０の層にレーザ光２５を照射する。レーザ光照射装置２０は、レーザ光源２１と、ミラー（ガルバノミラー）２２，２３と、レンズ系２４とを備えている。

【0024】

レーザ光源２１は、レーザ光２５を出射する。レーザ光源２１としては、例えば、ファイバーレーザやＣＯ_２レーザ等が使用され得る。レンズ系２４は、レーザ光２５を収束させる。また、ミラー２２，２３の角度を駆動手段（図示せず）によって変化させることで、レーザ光２５の照射方向を変化させる操作が行われる。つまり、ミラー２２，２３の回動によって、レーザ光２５が照射される位置が調整される。

【0025】

レーザ光２５が粉末９０の層の上を走査する走査速度（造形速度）は、１０～１０００ｍｍ／ｓであることが好ましく、５０～１５０ｍｍ／ｓであることがより好ましい。走査速度を下限値１０ｍｍ／ｓ（５０ｍｍ／ｓ）以上とすることで、レーザ光２５による熱影響が広範囲となることを抑制でき、造形幅をより狭小とすることができる。一方、走査速度を上限値１０００ｍｍ／ｓ（１５０ｍｍ／ｓ）以下とすることで、溶融状態を維持することができる。

【0026】

３次元造形においては、直前のレーザ光２５の照射によって次に造形すべき造形対象物の対象位置が加熱される。造形対象物におけるレーザ光２５の吸収率は、温度に依存し、高温ほど吸収率が高い。したがって、走査速度を前記した上限値以下とすることで、走査速度が速すぎて造形対象物の物性値である熱伝導率の影響によって十分に温められていない箇所にレーザ光２５が照射されることを防止できる。ただし、造形対象物の材料によって熱伝導率が異なるため、前記した走査速度の上限値は、造形対象物の材料によって変わるものである。

【0027】

図２は、レーザ光２５の出力波形を示すグラフである。
図２に示すように、レーザ光２５はパルス発振レーザである。すなわち、レーザ光２５はパルス状の出力波形を有している。パルス発振レーザの使用によって、より小さい出力で照射可能であるため、造形の母材となる造形対象物（基材８０または既に造形された部分）に与える熱影響を小さくでき、造形体９１の変形をより抑えることができる。

【0028】

粉末９０の層上でレーザ光２５の連続する２つのパルスによる照射スポットが重なる率である重なり率は、５０～９９．９％であることが好ましく、７０～９９％であることがより好ましい。重なり率を下限値５０％（７０％）以上とすることで、レーザ光２５の丸い照射スポットのために正確な造形形状が得られなくなることを防止できる。一方、重なり率を上限値９９．９％（９９％）以下とすることで、後記するパルス発振レーザによる効果を得ることができる。

【0029】

重なり率は、以下のようにして求めることができる。
照射スポット径をＤ（μｍ）、周波数をＦ（ｋＨｚ）、走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、パルス幅をＡ（μｓ）としたとき、パルスの繰り返し時間Ｔ（ｓ）、パルス幅における移動距離Ｌｐ（μｍ）、パルスの繰り返し距離Ｌｔ（μｍ）、および重なり率Ｒ（％）は、次の式によって求められる。
Ｔ＝１／（Ｆ×１０００）
Ｌｔ＝Ｓ×Ｔ×１０００
Ｌｐ＝Ｓ×Ａ／１０００
Ｒ＝（１－（（Ｌｔ－Ｌｐ）／Ｄ））×１００
ここで、パルス幅における移動距離（Ｌｐ）とは、例えば１発目のパルス開始点の照射スポット中心位置と、その１発目のパルス終了点の照射スポット中心位置との距離である。また、パルスの繰り返し距離（Ｌｔ）とは、例えば１発目のパルス開始点の照射スポット中心位置と、２発目のパルス開始点の照射スポット中心位置との距離である。

【0030】

本実施形態で使用されるレーザ光２５の出力特性は、次の通りである。
すなわち、周波数は、５～２００ｋＨｚであることが好ましく、１０～１００ｋＨｚであることがより好ましい。周波数を下限値５ｋＨｚ（１０ｋＨｚ）以上とすることで、レーザ光２５による熱影響範囲を小さくして、造形幅をより狭小とすることができる。一方、周波数を上限値２００ｋＨｚ（１００ｋＨｚ）以下とすることで、粉末９０の溶融状態の時間が短くて固相状態になってしまうことを抑制できる。これにより、粉末９０同士が溶融して混ざり合うため、正確な造形形状を得ることができる。

【0031】

パルス幅Ａは、５～２００μｓであることが好ましく、１０～１００μｓであることがより好ましい。ここで、パルス幅Ａは、パルスの頂部における出力（ピーク出力Ｐｐ）と底部における出力（ベース出力Ｐｂ）との中間値を示す時間幅とする。パルス幅Ａを下限値５μｓ（１０μｓ）以上とすることで、粉末９０の溶融状態の時間が短くて固相状態になってしまうことを抑制できる。これにより、粉末９０同士が溶融して混ざり合うため、正確な造形形状を得ることができる。一方、パルス幅Ａを上限値２００μｓ（１００μｓ）以下とすることで、レーザ光２５による熱影響範囲を小さくして、造形幅をより狭小とすることができる。

【0032】

ピーク出力Ｐｐは、１０～５００Ｗであることが好ましく、２０～１００Ｗであることがより好ましい。ピーク出力Ｐｐを下限値１０Ｗ（２０Ｗ）以上とすることで、粉末９０のみならず造形対象物としての母材を溶融できるため、確実な接合が可能となる。一方、ピーク出力Ｐｐを上限値５００Ｗ（１００Ｗ）以下とすることで、出力が高過ぎて粉末９０が溶融を通り越して蒸発にまで達し、その膨張圧で粉末９０の破壊に至ることを防止できる。また、周囲の粉末９０を弾き飛ばしてしまって造形の失敗につながることを防止できる。

【0033】

本実施形態では、レーザ光２５の出力波形は、出力値が０Ｗよりも大きいベース出力Ｐｂとピーク出力Ｐｐとの間で繰返し変化する波形である。ただし、ベース出力Ｐｂ＝０として実施されることも可能である。

【0034】

レーザ光２５の平均出力Ｐａは、５～３００Ｗであることが好ましく、２０～１００Ｗであることがより好ましい。ここで、平均出力Ｐａは、出力波形の積分値を積分区間の時間で除した値とする。平均出力Ｐａを下限値５Ｗ（２０Ｗ）以上とすることで、溶融状態を維持することができる。一方、平均出力Ｐａを上限値３００Ｗ（１００Ｗ）以下とすることで、レーザ光２５による熱影響が広範囲となることを抑制でき、造形幅をより狭小とすることができる。

【0035】

レーザ光２５の照射スポット径は、１０～１００μｍであることが好ましく、１２～５０μｍであることがより好ましい。照射スポット径を下限値１０μｍ（１２μｍ）以上とすることで、実際上の使用が確保される。一方、照射スポット径を上限値１００μｍ（５０μｍ）以下とすることで、レーザ光２５による熱影響範囲を小さくして、造形幅をより狭小とすることができる。

【0036】

図１に示すように、チャンバ７０は、例えばステンレス等の金属で形成された容器である。チャンバ７０は、密閉可能に構成されており、排気機構（図示せず）によってチャンバ７０内を排気することで減圧可能とされている。また、排気機構は、加工時にレーザによって溶融した粉末から発生する金属ヒューム（金属蒸気）を排出させるための排出口を兼ねている。真空引きすることによって酸素が除去されたチャンバ７０内には、アルゴン、窒素等の不活性ガスが供給されるようになっている。また、チャンバ７０には、図示しないレーザ光２５の通過用の窓が設けられている。

【0037】

制御装置６０は、図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）、およびメモリ、ハードディスク等の記憶部を備えている。記憶部には、３次元造形したい構造の３次元形状データと、加工条件データとが保存される。３次元形状データおよび加工条件データは、制御装置６０において作成されてもよいし、外部の装置で作成されて制御装置６０に入力されてもよい。制御装置６０は、加工条件データに基づいて、レーザ光源２１、ミラー２２，２３、およびレンズ系２４を制御して、レーザ光２５の出力特性、走査速度、走査間隔、および照射位置を調整する。

【0038】

制御装置６０には、表示装置６３と、入力装置６４とが接続されている。表示装置６３は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等である。表示装置６３は、画像、操作画面、メッセージ等の各種情報を表示する。入力装置６４は、例えばキーボードやマウス等であり、３次元形状データや加工条件データの作成または入力のためのユーザの操作の受付け、３次元造形作業の開始指示等の各種情報の入力を行う。

【0039】

図３は、本実施形態に係る３次元造形方法の内容を示すフローチャートである。
図３に示すように、まず、基材８０が造形ステージ１２にセットされて固定される（Ｓ１）。そして、チャンバ７０内が真空引きされた後、チャンバ７０内に不活性ガスが供給される。

【0040】

続いて、層形成装置１０によって、造形対象物としての基材８０の上に粉末９０の層が形成される（Ｓ２）。ここで、リコータ１５がＸ方向（図１の右方向）に移動することによって、粉末９０が水平方向に移動して層形成室１１に供給されるとともに、粉末９０の層の表面が平坦に整えられる。

【0041】

続いて、レーザ光２５の照射による加熱が行われる（Ｓ３）。すなわち、制御装置６０は、レーザ光照射装置２０を制御して、粉末９０の層にレーザ光２５を照射させる。これにより、粉末９０が溶融・結合して固化された造形領域が形成される。

【0042】

そして、ステップＳ４では、３次元造形が最後の層まで終了したか否かが判断される。すなわち、制御装置６０は、粉末９０の層の所定領域にレーザ光２５を照射することで固化された造形領域の層を一層ずつ積層して造形する３次元造形が最後の層（最上層）まで終了したか否かを判断する。

【0043】

３次元造形が最後の層まで終了していないと判断される場合には（Ｓ４でＮｏ）、制御装置６０は、処理をステップＳ２に戻して、次の層についての３次元造形（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を実施するように制御する。なお、前の層において造形に利用されなかった粉末９０は除去されることなく、その上に再度、粉末９０が適量供給されて一定厚さの次の層が形成される（Ｓ２）。一方、３次元造形が最後の層まで終了したと判断される場合には（Ｓ４でＹｅｓ）、制御装置６０は、３次元造形作業を終了させる。

【0044】

前記したように、本実施形態に係る３次元造形装置１００で使用されるレーザ光２５は、周波数が５～２００ｋＨｚ、パルス幅Ａが５～２００μｓ、ピーク出力Ｐｐが１０～５００Ｗであるパルス状の出力波形を有している。そして、粉末９０の層上でレーザ光２５の連続する２つのパルスによる照射スポットが重なる率である重なり率は、５０～９９．９％である。

【0045】

このような構成では、粉末９０の層に特定の出力特性を有するパルス発振レーザであるレーザ光２５が照射される。したがって、パルス状の出力波形によって平均出力が低くなるために造形幅（肉盛ビード）を狭小化できるとともに、低出力条件下においても造形の連続性を維持できる。したがって、本実施形態によれば、より狭小な造形幅を有する造形体を造形することができる。

【0046】

一方、ＣＷ（連続発振）レーザが使用される場合には、低出力条件下においては、前記したようにボーリングと呼ばれる欠陥によって、造形の連続性が損なわれる。また、３次元造形においては粉末９０の粒子と溶融池との混合、凝固によって接合が完了するが、ＣＷレーザが使用される場合には溶融池の先端がまれに急勾配な形状になることがある。これによって、溶融池から立ち昇っている蒸気流が進行方向前方に向かって大きく傾斜して合流すべき粉末９０の粒子を弾き飛ばしてしまい、造形に必要な粒子が枯渇して造形の連続性が損なわれるおそれがある。

【0047】

これに対して、本実施形態では、溶融池の先端が急勾配な形状になる場合があるが、パルス幅Ａに応じて蒸気流は発生と消失とを繰り返すため、前方の粉末９０の粒子を弾き飛ばすことを蒸気流の消失によって抑制できる。また、パルス状の出力波形の周波数に応じて溶融池が小刻みに揺れ動くことで、造形幅の均一性を高めることができる。さらに、高いピーク出力Ｐｐによって多くの粉末９０の粒子を周囲から引き寄せて合流させることができる。このようにして、低出力条件下においても造形の連続性を維持できる。

【0048】

また、パルス発振レーザの場合、発振停止状態（出力値が０Ｗ）からレーザ媒質を急激に励起すると、緩和発振現象によって発振立ち上がりに数μｓ幅以下のスパイク状の高出力部が生じるおそれがある。本実施形態では、レーザ光２５の出力波形を、出力値が０Ｗよりも大きいベース出力Ｐｂとピーク出力Ｐｐとの間で繰返し変化する波形にしたことで、緩和発振現象によるスパイク状の高出力部の発生を抑制できる。

【0049】

以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではない。本発明は、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。また、前記実施形態の構成の一部について、追加、削除、置換をすることができる。

【0050】

例えば、前記した実施形態では、３次元造形装置１００は、ＰＢＦ法による３次元造形装置であるが、必ずしもこれに限定されるものではない。３次元造形装置１００は、例えば、造形対象物の上に粉末９０を落下させて供給することで堆積することによって金属の粉末の層を形成する層形成装置を備えるものであってもよい。

【0051】

（実験例）
次に、本発明の効果を、以下の実験例を用いて説明する。但し、本発明の技術的範囲が以下の実験例のみに限定されるものではない。
パルス発振レーザによる造形幅（肉盛ビード幅）の狭小化について実験を行った。
連続する２つのパルスによる照射スポットの重なり率は、９５％以上になるようにした。具体的には、１００ｍｍ／ｓの走査速度（造形速度）では２５ｋＨｚの周波数、２００ｍｍ／ｓの走査速度（造形速度）では５０ｋＨｚの周波数を採用した。また、パルス発振レーザの照射スポット径は、１６．５μｍとした。さらに、ピーク出力Ｐｐを４７～７７Ｗ、パルス幅Ａを１０～３０μｓの範囲で任意に設定することで、複数のパルス状の出力波形を作り出し、各出力波形による造形を行った。なお、粒子径が２５～３８μｍのチタンの粉末９０、およびチタンの基材８０を使用した。

【0052】

図４は、パルス発振レーザを使用して造形する実験を行った場合の平均出力と造形幅との関係を示す図である。図４において、黒塗りのプロットは、連続性を有する造形となった条件を示し、白抜きのプロットは、不連続な造形となった条件を示す。
なお、図４においては、ＣＷ（連続発振）レーザを使用して実験した場合の傾向線を実線または破線で合わせて示した。ここで、実線は、連続性を有する造形となった条件を示し、破線は、不連続な造形となった条件を示す。

【0053】

図４に示すように、まず、溶融領域が狭くなる低出力、高走査速度の条件において、造形幅が狭小化する傾向があることが確認できる。
そして、１００ｍｍ／ｓの走査速度においては、同じ平均出力のＣＷレーザを使用した場合よりもパルス発振レーザを使用した場合の方が造形幅が狭小になる傾向があることがわかる。また、造形の連続性を考慮すれば、パルス発振レーザを使用した場合には、造形幅は最小幅で１００μｍを下回る約９５μｍを達成できていることがわかる。つまり、パルス発振レーザによる造形幅の狭小化の効果が確認できる。
なお、本実験では、２００ｍｍ／ｓの走査速度においては、パルス発振レーザによる明確な効果は確認できなかった。

【符号の説明】

【0054】

１０ 層形成装置
２０ レーザ光照射装置
２５ レーザ光
９０ 粉末
１００ ３次元造形装置
Ａ パルス幅
Ｐｐ ピーク出力
Ｐｂ ベース出力
Ｐａ 平均出力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】