特許 7365168 ＡＭ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】2023-10-11

(45)【発行日】2023-10-19

(54)【発明の名称】ＡＭ装置

(51)【国際特許分類】

   B22F 12/45 20210101AFI20231012BHJP

   B22F 10/25 20210101ALI20231012BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20231012BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20231012BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20231012BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20231012BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20231012BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20231012BHJP

   B29C 64/245 20170101ALI20231012BHJP

   B29C 64/236 20170101ALI20231012BHJP

【ＦＩ】

B22F12/45

B22F10/25

B22F10/28

B33Y30/00

B33Y10/00

B29C64/153

B29C64/209

B29C64/268

B29C64/245

B29C64/236

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019160875

(22)【出願日】2019-09-04

(65)【公開番号】P2021038438

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2022-04-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100146710

【弁理士】

【氏名又は名称】鐘ヶ江 幸男

(74)【代理人】

【識別番号】100186613

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】篠崎 弘行

【審査官】池田 安希子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０７５３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０４７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３０２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０３８２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３５１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００６－５１９９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３３９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２１７９０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１８０３１４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １０／００ － １２／９０

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ２９Ｃ ６４／１５３

Ｂ２９Ｃ ６４／２０９

Ｂ２９Ｃ ６４／２６８

Ｂ２９Ｃ ６４／２４５

Ｂ２９Ｃ ６４／２３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形物を製造するためのＡＭ装置であって、
造形対象物の輪郭を造形するための第１ＤＥＤノズルと、
前記輪郭の内側に粉体材料を供給するための供給装置と、
前記輪郭の内側に配置された粉体材料にビームを照射するための第１ビーム照射ヘッドと、
前記第１ビーム照射ヘッドから照射されるビームを、前記輪郭の内側に供給された粉体材料上に矩形に収束させるビームシェイパと、を有する、
ＡＭ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のＡＭ装置であって、
造形した造形物の表面にビームを照射するための第２ビームヘッドを有する、
ＡＭ装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のＡＭ装置であって、
造形中の造形物の表面温度を測定する温度計を有する、
ＡＭ装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載のＡＭ装置であって、
造形対象物を支持するためのベースプレートを有し、
前記ベースプレートは、水平面内で直交する二方向に移動可能なＸＹステージ上に配置されている、
ＡＭ装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載のＡＭ装置であって、
造形中に造形された部分を冷却するための冷却装置を有する、
ＡＭ装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載のＡＭ装置であって、さらに、
前記輪郭の内側に配置されるブリッジ板を有する、
ＡＭ装置。

【請求項7】

請求項６に記載のＡＭ装置であって、
前記ブリッジ板は冷却装置を有する、
ＡＭ装置。

【請求項8】

ＡＭ法により造形物を製造する方法であって、
造形対象物の輪郭をＤＥＤにより造形するステップと、
前記輪郭の内側をＰＢＦにより造形するステップと、を有し、
前記輪郭の内側をＰＢＦにより造形するステップは、
前記輪郭の内側に粉体材料を供給するステップと、
前記輪郭の内側に供給された粉体材料上にビームを照射するステップと、
前記ビームを前記輪郭の内側に供給された粉体材料上に矩形に収束させるステップと、を有する、
方法。

【請求項9】

請求項８に記載の方法であって、
造形された造形物の表面を再溶融させて、再凝固させるステップを有する、
方法。

【請求項10】

請求項８または９に記載の方法であって、
造形中に造形物の温度を制御するステップを有する、
方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の方法であって、
造形中に造形物の温度を制御するステップは、
造形中に造形物の表面温度を測定するステップと、
造形中に造形された部分を冷却するステップと、を有する、
方法。

【請求項12】

請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法であって、
前記輪郭の内側をＰＢＦにより造形するステップは、前記輪郭の内側にブリッジ板を配置するステップを有する、
方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法であって、
前記ブリッジ板は冷却装置を有し、
さらに、前記ブリッジ板の冷却装置により造形物を冷却するステップを有する、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ＡＭ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

三次元物体を表現したコンピュータ上の三次元データから、三次元物体を直接的に造形する技術が知られている。たとえば、Additive Manufacturing（ＡＭ）（付加製造）法が知られている。一例として、デポジション方式のＡＭ法としてダイレクトエナジーデポジション（ＤＥＤ）がある。ＤＥＤは、金属材料を局所的に供給しながら適当な熱源を用いて基材と共に溶融、凝固させることで造形を行う技術である。また、ＡＭ法の一例として、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）がある。ＰＢＦは、二次元的に敷き詰められた金属紛体に対して、造形する部分に熱源であるレーザービームや電子ビームを照射して、金属紛体を溶融・凝固または焼結させることで三次元物体の各層を造形する。ＰＢＦでは、このような工程を繰り返すことで、所望の三次元物体を造形することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第４７２４２９９号明細書

【文献】特表２０１９－５００２４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に、ＰＢＦとＤＥＤとを比較すると、ＤＥＤの方が造形速度を大きくすることができる。しかし、ＤＥＤにおいて、造形速度を大きくすると、入熱量を大きくするために局所的な温度上昇が発生しやすくなる。その結果、過剰な金属蒸気が発生し金属原料が減少して溶融・凝固した形状は意図した形状と異なる形状になりやすく、造形済の部分も熱の影響により変形することがある。また、ＤＥＤの場合、造形物の形状にばらつきが発生しやすいため、ＤＥＤで造形した後に機械加工が行われることが多い。本願は、ＡＭ法による造形中に過剰な金属蒸気の発生や変形の発生を抑制する技術を提供することを１つの目的としている。また、本願は、造形後の機械加工をできるだけ少なく、または不要にするための技術を提供することを１つの目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、かかるＡＭ装置は、造形対象物の輪郭を造形するための第１ＤＥＤノズルと、前記輪郭の内側を造形するための第２ＤＥＤノズルと、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。

【図2】一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。

【図3】一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。

【図4】一実施形態による、冷却装置を備えるＡＭ装置を概略的に示す図である。

【図5】一実施形態による、ＤＥＤヘッドを概略的に示す図である。

【図6】一実施形態による、ＤＥＤノズルの断面を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明に係る造形物を製造するためのＡＭ装置の実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

【0008】

図１は、一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、ベースプレート１０２を備える。ベースプレート１０２上に造形物Ｍが造形されることになる。ベースプレート１０２は、造形物Ｍを支持することができる任意の材料から形成されるプレートとすることができる。ベースプレート１０２は、ＸＹステージ１０４の上に配置される。ＸＹステージ１０４は、水平面内で直交する二方向（ｘ方向、ｙ方向）に移動可能なステージ１０４である。なお、ＸＹステージ１０４は、高さ方向（ｚ方向）に移動可能なリフト機構に連結されていてもよい。

【0009】

一実施形態において、図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、第１ＤＥＤヘッド２００を備える。第１ＤＥＤヘッド２００は、レーザー源２０２、材料粉体源２０４、およびガス源２０６に接続されている。第１ＤＥＤヘッド２００は、ＤＥＤノズル２１０を有する。第１ＤＥＤノズル２１０は、レーザー源２０２、材料粉体源２０４、およびガス源２０６からのレーザー、材料粉体、およびガスを噴射するように構成される。第１ＤＥＤヘッド２００は任意のものとすることができ、たとえば公知のＤＥＤヘッドを使用することができる。第１ＤＥＤヘッド２００は、移動機構２２０に連結されており、移動可能に構成される。移動機構２２０は、任意のものとすることができ、たとえば、レールなどの特定の軸に沿って第１ＤＥＤヘッド２００を移動可能なものとしてもよく、あるいは、任意の位置および向きに第１ＤＥＤヘッド２００を移動させることができるロボットから構成されてもよい。第１ＤＥＤヘッド２００は、後述するが、造形物の輪郭を形成するために使用される。

【0010】

一実施形態において、図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、第２ＤＥＤヘッド３００を備える。第２ＤＥＤヘッド３００は、レーザー源３０２、材料粉体源３０４、およびガス源３０６に接続されている。なお、第２ＤＥＤヘッド３００に接続されるレーザー源３０２、材料粉体源３０４、およびガス源３０６は、第１ＤＥＤヘッド２００に接続されるレーザー源２０２、材料粉体源２０４、およびガス源２０６と同一のものを使用してもよいし、異なるものを使用してもよい。第２ＤＥＤヘッド３００は、ＤＥＤノズル３１０を有する。ＤＥＤノズル３１０は、レーザー源３０２、材料粉体源３０４、およびガス源３０６からのレーザー、材料粉体、およびガスを噴射するように構成される。第２ＤＥＤヘッド３００は任意のものとすることができ、たとえば公知のＤＥＤヘッドを使用することができる。第２ＤＥＤヘッド３００は、移動機構３２０に連結されており、移動可能に構成される。移動機構３２０は、任意のものとすることができ、たとえば、レールなどの特定の軸に沿って第２ＤＥＤヘッド３００を移動可能なものとしてもよく、あるいは、任意の位置および向きに第２ＤＥＤヘッド３００を移動させることができるロボットから構成されてもよい。第２ＤＥＤヘッド３００は、後述するが、第１ＤＥＤヘッド２００により形成された造形物の輪郭の内側を造形するために使用される。

【0011】

図６は一実施形態によるＤＥＤノズル２１０の断面を概略的に示す図である。図示の実施形態によるＤＥＤノズル２１０は、中心にレーザー２５０が通過する第１通路２５２を備える。また、ＤＥＤノズル２１０は、第１通路２５２の外側に、材料粉体および材料粉体を輸送するためのキャリアガスが通過する第２通路２５４を備える。さらに、ＤＥＤノズル２１０は、第２通路２５４の外側に、シールドガスが通過する第３通路２５６を備え
る。第２通路２５４は、ＤＥＤノズル２１０から排出される材料粉体がレーザー２５０のフォーカス位置と実質的に同一の位置に収束するように構成される。なお、図６において材料粉体およびキャリアガスの流れは破線で示されている。キャリアガスは、たとえばアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスとすることができる。なお、キャリアガスに不活性ガスを用いることで、材料粉体が溶融して形成される溶融池を不活性ガスで覆うことで酸化を防止することができる。ただし、キャリアガスの流れにより、その外側の空気が巻き込まれることがある。そこで、図６に示されるＤＥＤノズル２１０は、粉体材料およびキャリアガスが排出される第２通路２５４の外側に配置された第３通路２５６からシールドガスを低速で供給することで、周囲の空気が巻き込まれることを防止することができる。キャリアガスにより周囲の空気（特に酸素）が巻き込まれることを防止することで、金属酸化膜が生成されることを抑制でき、また、濡れ性の良い溶融池を形成することができる。図６において、シールドガスの流れは矢印で示されている。なお、図６は、一例としてＤＥＤノズル２１０の実施形態を示しているが、同様の構成をＤＥＤノズル３１０に採用してもよい。

【0012】

一実施形態において、図１に示されるように、ＡＭ装置１００は温度計１５０を備える。一実施形態において、温度計１５０は、造形中の造形物の表面温度を測定できるものとすることができ、たとえば放射温度計とすることができる。

【0013】

図１に示される実施形態において、ＡＭ装置１００は制御装置１７０を有する。制御装置１７０は、ＡＭ装置１００の各種の動作機構、たとえば上述の第１ＤＥＤヘッド２００、第２ＤＥＤヘッド３００や各種の動作機構などの動作を制御するように構成される。制御装置１７０は、一般的なコンピュータまたは専用コンピュータから構成することができる。

【0014】

図１に示される実施形態によるＡＭ装置１００で三次元物体を造形する場合、概略、以下の手順で行われる。まず、造形対象物の三次元データが制御装置１７０に入力される。制御装置１７０は、入力された造形物の三次元データから、造形用のスライスデータを作成する。また、制御装置１７０は、造形条件やレシピを含む実行データを作成する。造形条件およびレシピは、たとえば、ビーム条件、および積層条件を含む。ビーム条件は、レーザー源２０２、３０２の電圧条件やレーザー出力などを含み、走査条件は、走査パターン、走査ルート、走査速度、および走査間隔などを含む。走査パターンとしては、たとえば、一方向に走査する場合、往復方向に走査する場合、ジグザグに走査する場合、小さい円を描きながら横方向に移動する場合などがある。走査ルートは、たとえばどのような順序で走査を行うか、などを決定する。積層条件は、たとえば、材料の種類、粉末材料の平均粒径、粒形状、粒度分布、粒子供給速度（単位時間当たりの供給重量）、キャリアガス流量などを含む。なお、上述の造形条件およびレシピの一部は、入力された造形物の三次元データに応じて作成および変更してもよく、入力された造形物の三次元データにかかわらず予め決定されていてもよい。

【0015】

第１ＤＥＤヘッド２００を使用して、三次元物体の第１層の輪郭部分Ｍ１を造形する。輪郭部分Ｍ１を造形するときは、輪郭を正確に造形できる条件で、また造形した部分が変形しないような条件で造形を行う。輪郭部分Ｍ１の厚さは、次の工程で輪郭部分の内側Ｍ２を造形するときに、造形済みの輪郭部分Ｍ１が変形しない程度の厚さとすることが望ましい。

【0016】

第１層の輪郭部分Ｍ１が造形できたら、次に造形された輪郭部分Ｍ１の内側Ｍ２を第２ＤＥＤヘッド３００を使用して造形する。内側Ｍ２を造形するときは、既に輪郭部分Ｍ１が形成されているため、造形中に変形するリスクが小さいので、輪郭部分を造形するときよりも高速で造形できる条件で造形を行うことができる。

【0017】

第１層が造形できたら、次に第２層の輪郭部分Ｍ１および内側部分Ｍ２を造形し、さらに第３層、第４層と造形を繰り返して三次元物体の造形を完成させる。なお、造形中、特に輪郭部分Ｍ１の造形中には、温度計１５０により造形された部分の温度を監視しながら行うことが望ましい。造形物Ｍの表面の温度が高いと過剰な金属蒸気が発生しやすく、また、造形済の部分も熱の影響により形状が変形することがある。そのため、造形された部分の温度を監視して、下の層が十分に凝固する温度になってから次の層の造形を開始するようにすることが望ましい。また、各層において、輪郭部分Ｍ１の全体の造形が完了する前に内側部分Ｍ２の造形を開始してもよい。輪郭部分Ｍ１の一部が造形できたら内側部分Ｍ２の造形を開始し、輪郭部分Ｍ１と内側部分Ｍ２の造形を同時に進行させることで、全体の造形時間を短縮することができる。

【0018】

かかる実施形態によるＡＭ装置１００においては、正確に造形できる条件で造形物の輪郭部分Ｍ１を造形してから、より高速な条件で輪郭部分Ｍ１の内側Ｍ２を造形するので、造形物Ｍの形状を正確に造形しながら、全体の造形時間を短縮することができる。

【0019】

図２は、一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。図２に示されるＡＭ装置１００は、図１に示される実施形態と同様に、ベースプレート１０２およびＸＹステージ１０４を備え、ベースプレート１０２上に造形物Ｍが造形されることになる。

【0020】

一実施形態において、図２に示されるように、ＡＭ装置１００は、第１ＤＥＤヘッド２００を備える。図２に示される第１ＤＥＤヘッド２００は、図１に示される第１ＤＥＤヘッド２００と同様の構成とすることができる。

【0021】

図２に示される実施形態において、ＡＭ装置１００は、造形物の材料を供給するための、材料供給機構４００を備える。材料供給機構４００は、造形物の材料となる粉末、たとえば金属粉末を保持するための貯蔵容器４０２と、貯蔵容器４０２を移動させるための移動機構４０４と、を備える。貯蔵容器４０２には、材料粉末をベースプレート１０２上に排出するための開口４０６を備える。開口４０６は、たとえば、ベースプレート１０２の一辺より長い直線状の開口４０６とすることができる。この場合、移動機構４０４を、開口４０６の直線に直交する方向にベースプレート１０２の他方の辺より長い範囲で移動させるように構成することで、ベースプレート１０２の全面に材料粉末を供給することができる。また、貯蔵容器４０２は、開口４０６の開閉を制御するための弁４０８を備える。材料供給機構４００は、貯蔵容器４０２から供給された材料粉末を均すためのブレード（図示せず）を備えてもよい。

【0022】

一実施形態において、図２に示されるように、ＡＭ装置１００は、第１ビーム照射ヘッド５００を備える。第１ビーム照射ヘッド５００は、レーザー源５０２に接続されているか、あるいはレーザー５０２を内蔵している。また、第１ビーム照射ヘッド５００は、任意の光学系を備えることができ、レーザーを造形面に集光することができるように構成されている。第１ビーム照射ヘッド５００は、移動機構５２０に連結されており、移動可能に構成される。移動機構５２０は、任意のものとすることができ、たとえば、レールなどの特定の軸に沿って第１ビーム照射ヘッド５００を移動可能なものとしてもよい。あるいは、ＡＭ装置１００は、移動機構５２０に代えて、または移動機構５２０に加えて、ガルバノミラー等の任意の光学系により第１ビーム照射ヘッド５００からのレーザーを造形面上で走査可能に構成してもよい。なお、第１ビーム照射ヘッド５００から照射されるレーザーは、任意のビームシェイパなどを用いて矩形に集光され、フラットなビームプロファイルを備えることが望ましい。そのようなレーザーの特徴を備えることで、効率的に粉体材料を溶融、焼結させることができる。

【0023】

図２に示される実施形態によるＡＭ装置１００で三次元物体を造形する場合、概略、以下の手順で行われる。まず、造形対象物の三次元データが制御装置１７０に入力される。制御装置１７０は、入力された造形物の三次元データから、造形用のスライスデータを作成する。また、制御装置１７０は、造形条件やレシピを含む実行データを作成する。造形条件およびレシピは、たとえば、ビーム条件、および積層条件を含む。ビーム条件は、レーザー源２０２、３０２の電圧条件やレーザー出力などを含み、走査条件は、走査パターン、走査ルート、走査速度、および走査間隔などを含む。走査パターンとしては、たとえば、一方向に走査する場合、往復方向に走査する場合、ジグザグに走査する場合、小さい円を描きながら横方向に移動する場合などがある。走査ルートは、たとえばどのような順序で走査を行うか、などを決定する。積層条件は、たとえば、材料の種類、粉末材料の平均粒径、粒形状、粒度分布、粒子供給速度（単位時間当たりの供給重量）、キャリアガス流量などを含む。なお、上述の造形条件およびレシピの一部は、入力された造形物の三次元データに応じて作成および変更してもよく、入力された造形物の三次元データにかかわらず予め決定されていてもよい。

【0024】

第１ＤＥＤヘッド２００を使用して、三次元物体の第１層の輪郭部分Ｍ１を造形する。輪郭部分Ｍ１を造形するときは、輪郭を正確に造形できる条件で、また造形した部分が変形しないような条件で造形を行う。輪郭部分Ｍ１の厚さは、次の工程で輪郭部分Ｍ１の内側Ｍ２を造形するときに、造形済みの輪郭部分Ｍ１が変形しない程度の厚さとすることが望ましい。

【0025】

第１層の輪郭部分Ｍ１が造形できたら、材料供給機構４００により、造形された輪郭部分Ｍ１の内側Ｍ２に粉体材料を供給する。次に、第１ビーム照射ヘッド５００から、造形された輪郭部分Ｍ１の内側Ｍ２の粉体材料にレーザーを照射して、所定の位置の粉体材料を溶融、焼結させて輪郭部分Ｍ１の内側Ｍ２を造形する。なお、第１層の輪郭部分Ｍ１の内側部分Ｍ２を複数の層から造形してもよい。この場合、内側部分Ｍ２の各層を形成するたびに、ベースプレート１０２を１層分だけ下降させて、材料供給機構４００から新たな粉末材料を供給して粉体材料にレーザーを照射することを繰り返して、第１層の輪郭部分Ｍ１の内側部分Ｍ２を形成することができる。あるいは、ベースプレート１０２を下降させる代わりに、内側部分Ｍ２の各層を形成するたびに、１層分だけ第１ビーム照射ヘッド５００を上方に移動させてもよい。

【0026】

輪郭部分Ｍ１の第１層およびその内側部分Ｍ２が造形できたら、次に第２層の輪郭部分Ｍ１および内側部分Ｍ２を造形し、さらに第３層、第４層と造形を繰り返して三次元物体の造形を完成させる。なお、造形中、特に輪郭部分Ｍ１の造形中には、温度計１５０により造形された部分の温度を監視しながら行うことが望ましい。造形物Ｍの表面の温度が高いと金属蒸気が発生しやすく、供給した金属原料が減少したり、造形済の部位への熱の影響により造形物Ｍの形状が変形したりすることがある。そのため、造形された部分の温度を監視して、下の層が十分に凝固する温度になってから次の層の造形を開始するようにすることが望ましい。また、各層において、輪郭部分Ｍ１の全体の造形が完了する前に内側部分Ｍ２の造形を開始してもよい。輪郭部分Ｍ１の一部が造形できたら内側部分Ｍ２の造形を開始し、輪郭部分Ｍ１と内側部分Ｍ２の造形を同時に進行させることで、全体の造形時間を短縮することができる。

【0027】

図２に示される実施形態においては、造形物の輪郭部分Ｍ１をＤＥＤ方式で造形し、内側部分Ｍ２をＰＢＦ方式で造形している。なお、一実施形態において、ＡＭ装置１００は、図１に示され第１ＤＥＤヘッド２００および第２ＤＥＤヘッド３００に加えて、さらに、図２に示される材料供給機構４００および第１ビーム照射ヘッド５００を備えるように構成してもよい。

【0028】

図３は、一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。一実施形態において、ＡＭ装置１００は、図３に示されるように第２ビーム照射ヘッド６００を備える。第２ビーム照射ヘッド６００は、レーザー源６０２に接続されているか、あるいはレーザー６０２を内蔵している。第２ビーム照射ヘッド６００は、形成された造形物Ｍの表面にレーザーを照射できるように構成される。第２ビーム照射ヘッド６００は、移動機構６２０に連結されており、移動可能に構成される。移動機構６２０は、任意のものとすることができ、たとえば、レールなどの特定の軸に沿って第２ビーム照射ヘッド６００を移動可能なものとしてもよく、あるいは、任意の位置および向きに第２ビーム照射ヘッド６００を移動させることができるロボットから構成されてもよい。形成された造形物Ｍの表面にレーザーを照射することにより、造形物Ｍの表面を再溶融および凝固させることができ、各層を積層させて造形させたときの段差を解消したり、表面粗さを小さくしたりすることができる。造形物Ｍの表面の段差や粗さを小さくすることで、造形後の機械加工を少なくすることが可能になる。

【0029】

図３においては、ＡＭ装置１００は、第２ビーム照射ヘッド６００とともに、図１に示される第１ＤＥＤヘッド２００および第２ＤＥＤヘッド３００を備えるものとしているが、図２に示されるような第１ＤＥＤヘッド２００および第１ビーム照射ヘッド５００を備えるものとしてもよく、第１ＤＥＤヘッド２００、第２ＤＥＤヘッド３００、および第１ビーム照射ヘッド５００を備えるものとしてもよい。また、第２ビーム照射ヘッド６００によう造形物Ｍの表面へのビーム照射は、他の部分を造形しながら同時に実行するにしてもよい。

【0030】

一実施形態において、ＡＭ装置１００は、造形された部分を冷却するための冷却装置７００を備える。図４は、一実施形態による、冷却装置７００を備えるＡＭ装置１００を示している。冷却装置７００は、造形された部分の周囲に接触するように配置された冷却部材７０２と、冷却部材７０２の内部を通る冷却管路７０４と、を備える、冷却管路７０４は、冷媒流体が流れるように構成されている。冷却管路７０４は、冷媒流体の温度を制御するための熱交換器７０６に接続されている。

【0031】

ＡＭ法による造形においては、ＤＥＤおよびＰＢＦのいずれの方式であっても、金属粉末を高温にして溶融し、凝固させることで任意の形状の三次元物体を造形する。このようなＡＭ法においては、温度の低下速度によって造形物の組織が変わり、造形物の強度や耐食性に影響を与える。そのため、ＡＭ法において、温度の低下速度を制御することが望ましい。ＡＭ法においては、レーザーを照射して材料を溶融させているので、全体として高温環境になりやすい。図４に示される実施形態においては、冷却装置７００を備えているので、造形物Ｍの温度の低下速度を制御することが可能になる。たとえば、温度計１５０により造形物Ｍの温度を監視しながら、冷却装置７００を制御することで造形物の温度および温度の低下速度を制御することができる。なお、図４においては、第１ＤＥＤヘッド２００および第２ＤＥＤヘッド２００を備えるＡＭ装置１００としているが、図２に示されるような第１ビーム照射ヘッド５００を利用するＡＭ装置１００としてもよい。

【0032】

また、図４には、ブリッジ構造Ｍ３を備える造形物を造形する様子が示されている。ブリッジ構造Ｍ３を造形するときは、対応する形状のブリッジ板１８０を挿入して造形を行ってもよい。たとえば、ブリッジ板１８０が所定の位置に配置された状態で、上述のように第１ＤＥＤヘッド２００を用いてブリッジ構造Ｍ３を含む輪郭部分Ｍ１を造形し、その後に内側部分Ｍ２を第２ＤＥＤヘッド２００または第１ビーム照射ヘッド５００により造形することができる。なお、一実施形態において、ブリッジ板１８０に冷却装置７００の機能を持たせてもよい。たとば、ブリッジ板１８０に冷却管路７０４を設けることでブリッジ板１８０に冷却装置７００の機能を持たせることができる。また、所定の位置に配置
されるブリッジ板１８０に代えて、レールやロボットアームなどの移動機構に連結されるガイド板を用いてもよい。ブリッジ構造Ｍ３を造形するときに溶融部位の下や側面にガイド板を当てて溶融・凝固を支持することができる。また、ブリッジ板１８０およびガイド板は、凝固面の表面粗さを小さくする作用も備える。

【0033】

図５は、一実施形態によるＤＥＤヘッドを概略的に示す図である。図５に示されるＤＥＤヘッド８００は、図１に示されるＤＥＤヘッド２００、３００と同様に、レーザー源８０２、材料粉体源８０４、ガス源８０６に接続されている。ＤＥＤヘッド８００は、ＤＥＤノズル８１０を有する。ＤＥＤノズル８１０は、レーザー源２０２、材料粉体源２０４、およびガス源２０６からのレーザー、材料粉体、およびガスを噴射するように構成される。図５に示される実施形態によるＤＥＤヘッドは、レーザー源８０２からのレーザー光がＤＥＤヘッド８００内に配置されるハーフミラー８０８などで分岐されて、一方はＤＥＤノズル８１０から照射され、他方はＤＥＤノズル８１０の前方から照射されるように構成されている。なお、ＤＥＤノズル８１０の前方とは、造形する際にＤＥＤヘッド８００が移動する進行方向（図５中の矢印で示される）の前方である。前方に照射されるレーザーは、造形する表面（下層）を溶融させない程度の強度とする。なお、図５に示される実施形態においては、レーザー源８０２からのレーザーをハーフミラー８０８により分岐させてＤＥＤノズル８１０の前方に照射できるように構成されているが、ＤＥＤノズル８１０の前方に照射するレーザーをレーザー源８０２から独立した別のレーザー源を用いてもよい。

【0034】

ＤＥＤヘッド８００を用いて造形を行う場合、ＤＥＤノズル８１０から材料粉体を所定位置に供給しながらレーザーを照射することで、所定の位置に材料を積層させることができる。図５に示されるＤＥＤヘッド８００においては、進行方向前方にレーザーが照射されるので、材料粉末および造形用のレーザーが供給される直前にレーザーが照射される。そのため、造形される部分（下層）の表面がレーザーにより加熱される。一般に、温度が低いと濡れ性が悪くなる。そのため、本実施形態のように造形される部分（下層）の表面をレーザーで予熱することで、造形される部分（下層）の表面の濡れ性をよくすることができる。濡れ性が改善されると、ＤＥＤノズル８１０から供給されて溶融した材料が意図した箇所にとどまりやすく、安定した造形を行うことができる。

【0035】

図５に示されるＤＥＤヘッド８００の特徴は、本明細書に開示のＡＭ装置１００に採用することができる。たとえば、本明細書に開示の第１ＤＥＤヘッド２００、第２ＤＥＤヘッド３００に図５に示されるＤＥＤヘッド８００を使用してもよい。また、図４に示される実施形態のように、冷却装置７００を含むＡＭ装置１００の場合、造形済の部分については冷却装置７００により適切に冷却される一方で、造形される表面のごく一部だけがレーザーにより一時的に予熱されて表面の濡れ性が改善され、安定した造形を行うことができる。

【0036】

上述の実施形態から少なくとも以下の技術的思想が把握される。
［形態１］形態１によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、かかるＡＭ装置は、造形対象物の輪郭を造形するための第１ＤＥＤノズルと、前記輪郭の内側を造形するための第２ＤＥＤノズルと、を有する。

【0037】

［形態２］形態２によれば、形態１によるＡＭ装置において、前記輪郭の内側に粉体材料を供給するための供給装置と、前記輪郭の内側に配置された粉体材料にビームを照射するための第１ビーム照射ヘッドと、を有する。

【0038】

［形態３］形態３によれば、形態１または形態２によるＡＭ装置において、造形した造形物の表面にビームを照射するための第２ビームヘッドを有する。

【0039】

［形態４］形態４によれば、形態１から形態３のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、造形中の造形物の表面温度を測定する温度計を有する。

【0040】

［形態５］形態５によれば、形態１から形態４のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、造形対象物を支持するためのベースプレートを有し、前記ベースプレートは、水平面内で直交する二方向に移動可能なＸＹステージ上に配置されている。

【0041】

［形態６］形態６によれば、形態１から形態５のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、造形中に造形された部分を冷却するための冷却装置を有する。

【0042】

［形態７］形態７によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、かかるＡＭ装置は、造形対象物の輪郭を造形するための第１ＤＥＤノズルと、前記輪郭の内側に粉体材料を供給するための供給装置と、前記輪郭の内側に配置された粉体材料にビームを照射するための第１ビーム照射ヘッドと、を有する。

【0043】

［形態８］形態８によれば、形態７によるＡＭ装置において、前記輪郭の内側を造形するための第２ＤＥＤノズルを有する。

【0044】

［形態９］形態９によれば、形態７または形態８によるＡＭ装置において、造形した造形物の表面にビームを照射するための第２ビームヘッドを有する。

【0045】

［形態１０］形態１０によれば、形態７から形態９のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、造形中の造形物の表面温度を測定する温度計を有する。

【0046】

［形態１１］形態１１によれば、形態７から形態１０のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、造形対象物を支持するためのベースプレートを有し、前記ベースプレートは、水平面内で直交する二方向に移動可能なＸＹステージ上に配置されている。

【0047】

［形態１２］形態１２によれば、形態７から形態１１のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、造形中に造形された部分を冷却するための冷却装置を有する。

【0048】

［形態１３］形態１３によれば、ＡＭ法により造形物を製造する方法が提供され、かかる方法は、ＤＥＤにより造形対象物の輪郭を造形するステップと、前記輪郭の内側を造形するステップと、を有する。

【0049】

［形態１４］形態１４によれば、形態１３による方法において、前記輪郭の内側を造形するステップはＤＥＤにより行われる。

【0050】

［形態１５］形態１５によれば、形態１３による方法において、前記輪郭の内側を造形するステップはＰＢＦにより行われる。

【0051】

［形態１６］形態１６によれば、形態１３から形態１５のいずれか１つの形態による方法において、造形された造形物の表面を再溶融させて、再凝固させるステップを有する。

【0052】

［形態１７］形態１７によれば、形態１３から形態１６のいずれか１つの形態による方法において、造形中に造形物の温度を制御するステップを有する。

【0053】

［形態１８］形態１８によれば、形態１７による方法において、造形中に造形物の温度を制御するステップは、造形中に造形物の表面温度を測定するステップと、造形中に造形
された部分を冷却するステップと、を有する。

【符号の説明】

【0054】

１００…ＡＭ装置
１０２…ベースプレート
１０４…ＸＹステージ
１５０…温度計
１７０…制御装置
２００…第１ＤＥＤヘッド
２１０…ＤＥＤノズル
２２０…移動機構
３００…第２ＤＥＤヘッド
３１０…ＤＥＤノズル
３２０…移動機構
４００…材料供給機構
５００…第１ビーム照射ヘッド
６００…第２ビーム照射ヘッド
７００…冷却装置
８００…ＤＥＤヘッド
８１０…ＤＥＤノズル
Ｍ１…輪郭部分
Ｍ２…内側部分
Ｍ…造形物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】