(57)【要約】【課題】ヒューム及びスパッタを十分に除去可能な積層造形方法を提供する。【解決手段】金属粉末層１０ａの所定箇所にレーザー９を照射して固化層１０ｂを形成する工程（ステップＳ６）と、固化層１０ｂの上に金属粉末を敷き詰めて次なる金属粉末層１０ａを形成する工程（ステップＳ４）と、をチャンバー２内において繰り返し行って３次元構造体１０を造形する積層造形方法であって、チャンバー２内に供給するガスの流量を、固化層１０ｂを形成する工程（ステップＳ６）では金属粉末層１０ａが飛び散らない量まで多くし、金属粉末層１０ａを形成する工程（ステップＳ４）では固化層１０ｂを形成する工程（ステップＳ６）よりも少なくする、積層造形方法。【選択図】図１
2020128584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末層の所定箇所にレーザーを照射して固化層を形成する工程と、前記固化層の上に金属粉末を敷き詰めて次なる金属粉末層を形成する工程と、をチャンバー内において繰り返し行って３次元構造体を造形する積層造形方法であって、
前記チャンバー内に供給するガスの流量を、前記固化層を形成する工程では前記金属粉末層が飛び散らない量まで多くし、前記金属粉末層を形成する工程では前記固化層を形成する工程よりも少なくする、
積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元構造体の造形方法として、金属粉末層の所定箇所にレーザーを照射して固化層を形成する工程と、前記固化層の上に金属粉末を敷き詰めて次なる金属粉末層を形成する工程と、をチャンバー内において繰り返し行う、積層造形方法が知られている。
例えば特許文献１には、チャンバー内に局所的にガスを流すことによって、レーザー照射時に発生するヒュームを除去する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５６５３３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、積層造形方法に関し、下記の課題を見出した。
特許文献１に開示されている技術では、居所的にガスを流すことによって、ガスにヒューム及びスパッタを同伴させて除去している。したがって、局所的に流れるガスの近傍以外の部分で発生したヒューム及びスパッタを除去することができない。そのため、十分にヒューム及びスパッタを除去することができない。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ヒューム及びスパッタを十分に除去可能な積層造形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】
【０００６】
上記目的を達成するための一態様は、金属粉末層の所定箇所にレーザーを照射して固化層を形成する工程と、前記固化層の上に金属粉末を敷き詰めて次なる金属粉末層を形成する工程と、をチャンバー内において繰り返し行って３次元構造体を造形する積層造形方法であって、前記チャンバー内に供給するガスの流量を、前記固化層を形成する工程では前記金属粉末層が飛び散らない量まで多くし、前記金属粉末層を形成する工程では前記固化層を形成する工程よりも少なくする。
【０００７】
本発明に係る積層造形方法では、チャンバー内に供給するガスの流量を、固化層を形成する工程では金属粉末層が飛び散らない量まで多くし、金属粉末層を形成する工程では固化層を形成する工程よりも少なくする。したがって、固化層を形成する工程において十分にヒューム及びスパッタを除去することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ヒューム及びスパッタを十分に除去可能な積層造形方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る積層造形装置の模式図である。
【図２】レーザー照射時における、本実施の形態に係る積層造形装置の模式断面図である。
【図３】本実施の形態に係る積層造形方法を示すフローチャートである。
【図４】レーザー照射時における、金属粉末層の拡大断面図である。
【図５】金属粉末層を形成する際における、本実施の形態に係る積層造形装置の模式断面図である。
【図６】実施例１〜３及び比較例１〜５における、３次元構造体の密度を示すグラフである。
【図７】実施例１における、Ｘ線ＣＴ計測画像である。
【図８】実施例２における、Ｘ線ＣＴ計測画像である。
【図９】実施例３における、Ｘ線ＣＴ計測画像である。
【図１０】比較例１における、Ｘ線ＣＴ計測画像である。
【図１１】比較例５における、Ｘ線ＣＴ計測画像である。
【図１２】実施例１及び比較例１における、欠陥個数を示すグラフである。
【図１３】従来の積層造形方法において、レーザー照射時の金属粉末層の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１１】
まず、図１及び図２を参照して、本実施の形態に係る積層造形方法を実施する装置（本実施の形態に係る積層造形装置）の構成について説明する。図１に示すように、積層造形装置１は、チャンバー２、ホッパー３、リコーター３ａ、ブレード３ｂ、ベースプレート５、ガス置換部６、ガス供給部７、及び排気部８を備える。チャンバー２内には、造形空間４が形成されている。
【００１２】
積層造形装置１は、図２に示すように、図１に示した構成に加えて、レーザー発振器９１を備える。なお、図１には、積層造形装置１に加えて、レーザー９及び３次元構造体１０を図示している。また、図２には、積層造形装置１に加えて、レーザー９、３次元構造体１０、及び金属粉末層１０ａを図示している。なお、図２では、チャンバー２の上部、ガス置換部６、ガス供給部７、及び排気部８の図示を省略している。
【００１３】
図１に示すように、積層造形装置１は、チャンバー２を備える。チャンバー２は、内部に空間を有する構造体である。チャンバー２内の下側には、造形空間４が形成されている。造形空間４は、底面がベースプレートであり、かつ、側面がチャンバー２の内周面である。ベースプレート５は、板状部材である。ベースプレート５は、図２に示すように、チャンバー２内に上下動可能に配置される。
【００１４】
ホッパー３は、内部に金属粉末を貯留する。ホッパー３の底は、開閉可能である。ホッパー３の下方には、リコーター３ａが配置されている。ホッパー３の底を開けることによって、リコーター３ａに所定量の金属粉末を供給することができる。リコーター３ａは、水平方向に移動可能である。リコーター３ａの下部には、ブレード３ｂが取り付けられている。ブレード３ｂは、リコーター３ａの移動方向に垂直な方向に延びる板状部材である。ブレード３ｂは、リコーター３ａと共に水平方向に移動可能である。
【００１５】
詳細は後述するが、３次元構造体１０を造形する際には、ホッパー３の底を開けて所定量の金属粉末をリコーター３ａに供給する。そして、リコーター３ａを造形空間４に向かって動かし、造形空間４に所定量の金属粉末を供給する。リコーター３ａの下部にはブレード３ｂが取り付けられているため、リコーター３ａを造形空間４に向かって動かすと、金属粉末がブレード３ｂによって均される。金属粉末は、ブレード３ｂによって均されて金属粉末層１０ａとなる。
【００１６】
図１に示すように、チャンバー２には、ガス置換部６が形成されている。ガス置換部６は、チャンバー２内にガスを供給し、チャンバー２内の雰囲気を置換することができる。ガス置換部６が供給するガスは、ヘリウムガスである。ガス置換部６が形成される位置は、チャンバー２内の雰囲気を置換可能である位置であれば、特に限定されない。ガス置換部６は、例えば、図１に示すように、チャンバー２の側壁に形成される。ガス置換部６は、チャンバー２の天井等に形成されてもよい。
【００１７】
チャンバー２には、ガス供給部７が形成されている。ガス供給部７は、チャンバー２内にガスを供給し、金属粉末層１０ａの上方にガスの流れを発生させる。ガス供給部７が供給するガスは、ヘリウムガスである。ガス供給部７が形成される位置は、金属粉末層１０ａの上方にガスの流れを発生させる位置であれば、特に限定されない。ガス供給部７は、例えば図１に示すように、チャンバー２の側壁であって、金属粉末層１０ａの上面よりも上の部分に形成される。
【００１８】
チャンバー２には、排気部８が形成されている。排気部８は、チャンバー２内の雰囲気を排気することができる。ガス置換部６から供給されたガス、及び、ガス供給部７から供給されたガス、は、排気部８から排気される。排気部８は、図１に示すように、ガス供給部７と向かい合うように形成される。ガス供給部７から供給されたガスは、ガス供給部７から排気部８に向かって流れる。したがって、金属粉末層１０ａの上面全体を覆うようにガスの流れが発生する。
【００１９】
図２に示すように、積層造形装置１は、レーザー発振器９１を備える。レーザー発振器９１は、レーザー９を金属粉末層１０ａに向かって照射する。３次元構造体１０を造形する際には、図２に示すように、造形空間４に金属粉末層１０ａを形成する。そして、金属粉末層１０ａの所定箇所にレーザー９を照射して固化層１０ｂを形成する。固化層１０ｂの上に次なる金属粉末層１０ａを形成する。このように、固化層１０ｂを繰り返し形成して３次元構造体１０を形成する。
【００２０】
次に、図１〜図５、及び図１３を参照して、本実施の形態に係る積層造形方法について説明する。図３は、本実施の形態に係る積層造形方法を示すフローチャートである。図４は、レーザー照射時における、金属粉末層の拡大断面図である。図５は、金属粉末層を形成する際における、本実施の形態に係る積層造形装置の模式断面図である。図１３は、従来の積層造形方法において、レーザー照射時の金属粉末層の拡大断面図である。
【００２１】
本実施の形態に係る積層造形方法では、図３に示すように、まず、ガスを置換する工程（ステップＳ１）を行う。ガスを置換する工程（ステップＳ１）では、ガス置換部６を用いてチャンバー２内の雰囲気を置換し、チャンバー２内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下とする。次に、金属粉末を供給する工程（ステップＳ２）を行う。金属粉末を供給する工程（ステップＳ２）では、ホッパー３から所定量の金属粉末をリコーター３ａに供給する。
【００２２】
次に、ベースプレート５を降下させる工程（ステップＳ３）を行う。本実施の形態に係る積層造形方法を開始する際には、予めベースプレート５を上昇させる工程を行い、ベースプレート５の上面がチャンバー２の底側の内周面と同一面を形成する位置まで、ベースプレートを上昇させる。ベースプレート５を降下させる工程（ステップＳ３）では、ベースプレート５を金属粉末層１０ａの厚みに相当する分降下させる。
【００２３】
図３に示す例では、金属粉末を供給する工程（ステップＳ２）を行った後に、ベースプレート５を降下させる工程（ステップＳ３）を行う。しかしながら、ステップＳ２及びステップＳ３を行う順は限定されない。例えば、ベースプレート５を降下させる工程（ステップＳ３）を行った後に、金属粉末を供給する工程（ステップＳ２）を行ってもよい。また、金属粉末を供給する工程（ステップＳ２）とベースプレート５を降下させる工程（ステップＳ３）とを並行して行ってもよい。
【００２４】
次に、金属粉末層１０ａを形成する工程（ステップＳ４）を行う。金属粉末層１０ａでは、図４に示すように、ステップＳ１において所定量の金属粉末を供給されたリコーター３ａを造形空間４に向かって動かし、造形空間４に所定量の金属粉末を供給する。リコーター３ａの下部にはブレード３ｂが取り付けられているため、リコーター３ａを造形空間４に向かって動かすと、金属粉末がブレード３ｂによって造形空間４に敷き詰められて、金属粉末層１０ａが形成される。
【００２５】
次に、ガスの流量を多くする工程（ステップＳ５）を行う。ガスの流量を多くする工程（ステップＳ５）では、ガス供給部７を用いて、チャンバー２内にガスを供給する。したがって、ステップＳ５では、ステップＳ１〜Ｓ４に比較して、チャンバー２内におけるガスの流量が多い。ガスの流量を多くする工程（ステップＳ５）におけるガスの流量は、１５Ｌ／ｍｉｎ未満であり、好ましくは５Ｌ／ｍｉｎ以上１５Ｌ／ｍｉｎ未満であり、さらに好ましくは１０Ｌ／ｍｉｎ以上１２Ｌ／ｍｉｎ以下である。ガスをこのような流量で流すと、金属粉末層１０ａが飛び散らない。ガスの流量を多くする工程（ステップＳ５）を行うと、チャンバー２内にガスの流れが発生する。
【００２６】
次に、レーザー９を照射する工程（ステップＳ６）を行う。レーザー９を照射する工程（ステップＳ６）では、図２に示すように、レーザー発振器９１からステップＳ４において形成した金属粉末層１０ａの所定箇所にレーザー９を照射して、固化層１０ｂを形成する。レーザー９を照射する工程（ステップＳ６）では、金属粉末層１０ａの上面を走査するようにレーザー９の照射位置を動かす。レーザー９の照射位置は、ガスの流れと反対向きとなるように動かす。
【００２７】
図５は、レーザー９を照射する工程（ステップＳ６）における、金属粉末層１０ａの一部拡大図である。図５に示す点線矢印は、レーザー９の反射方向である。図５に示すように、金属粉末層１０ａは、レーザー９が照射されると、溶融して溶融金属１０ｃとなる。金属粉末は、溶融する際にスパッタ１２やヒューム１３を生じる。
【００２８】
レーザー９を照射する工程（ステップＳ６）を行う際には、レーザー９の進行方向と反対方向に向かう、ガスの流れが発生している。したがって、発生したスパッタ１２及びヒューム１３は、ガスの流れによって、レーザー９よりもレーザー９の進行方向後ろ側に流れる。つまり、レーザー９の進路上からスパッタ１２及びヒューム１３を十分除去することができる。
【００２９】
ここで、スパッタ１２及びヒューム１３を十分に除去しない場合について説明する。図１３は、従来の積層造形方法において、レーザー照射時の金属粉末層の拡大断面図である。従来の積層造形方法では、図１３に示すように、固化層１００ｂの上に金属粉末層１００ａを形成し、金属粉末層１００ａにレーザー９００を照射する。金属粉末層１００ａは、レーザー９００が照射されると、溶融して溶融金属１００ｃとなる。金属粉末は、溶融する際にスパッタ１２０やヒューム１３０を生じる。
【００３０】
従来の積層造形方法では、レーザー９００を照射する際におけるガスの流量が、本実施の形態に係る積層造形方法に比較して、少ない。したがって、従来の積層造形方法では、スパッタ１２０やヒューム１３０が十分に除去されない状態でレーザー９００を照射する。そのため、レーザー９００の進路上にスパッタ１２０やヒューム１３０が存在する。
【００３１】
レーザー９００は、スパッタ１２０やヒューム１３０が進路上に存在すると、溶融金属１００ｃに向かって反射することがある。レーザー９００が溶融金属１００ｃに向かって反射すると、図１３に示すように、溶融金属１００ｃが対流する際に空気を巻き込みやすい。溶融金属１００ｃが空気を巻き込んで固化すると、固化層１００ｂ内に欠陥が発生する。
【００３２】
本実施の形態に係る積層造形方法では、レーザー９の進路上からスパッタ１２及びヒューム１３が除去されているため、レーザー９は図５に示すように、上から数えて２つ目の固化層１０ｂの上面近傍まで進入しやすい。そのため、溶融金属１０ｃが対流する際に空気を巻き込みにくい。したがって、固化層１０ｂに空気が入り込んで生じる欠陥の発生を抑制することができる。
【００３３】
次に、ガスの流量を少なくする工程（ステップＳ７）を行う。ガスの流量を少なくする工程（ステップＳ７）では、ガス供給部７からのガス供給を止め、チャンバー２内におけるガスの流量を少なくする。
【００３４】
次に、３次元構造体１０が所定厚みであるかを判定する工程（ステップＳ８）を行う。３次元構造体１０が所定厚みであるかを判定する工程（ステップＳ８）は、例えば、固化層１０ｂを何層形成すれば３次元構造体１０が所定厚みとなるかを予め調べ、所定回数の固化層１０ｂを形成しているか否かを判定することによって行われる。
【００３５】
３次元構造体１０が所定厚みであるかを判定する工程（ステップＳ８）において、３次元構造体１０が所定厚みであった場合（ステップＳ８Ｙｅｓ）、積層造形方法を終了する。３次元構造体１０が所定厚みであるかを判定する工程（ステップＳ８）において、３次元構造体１０が所定厚み以下であった場合（ステップＳ８Ｎｏ）、再びステップＳ２〜Ｓ８を行う。
【００３６】
再び金属粉末を供給する工程（ステップＳ２）を行う際には、ガスの流量を少なくする工程（ステップＳ７）においてガス供給部７からのガス供給を止め、チャンバー２内におけるガスの流量が少ない。したがって、金属粉末が飛び散ることを抑制しつつ金属粉末を敷き詰めることができる。このように、本実施の形態に係る積層造形方法は、ヒューム１３を十分に除去しつつ金属粉末層１０ａにレーザー９を照射することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本発明を制限するものではない。
【００３８】
［実施例１］
（密度の測定）
レーザー照射時におけるガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎよりも小さくして、３次元構造体を造形した。実施例１において造形された３次元構造体のＸ線ＣＴ計測を行い、密度を計測した。実施例１における３次元構造体の密度は、９９．８％であった。実施例１におけるＸ線ＣＴ計測断面図を図７に示す。
【００３９】
［実施例２］
レーザー照射時におけるガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎよりも小さくして、３次元構造体を造形した。実施例２において造形された３次元構造体のＸ線ＣＴ計測を行い、密度を計測した。実施例２における３次元構造体の密度は、９８．５％であった。実施例２におけるＸ線ＣＴ計測断面図を図８に示す。
【００４０】
［実施例３］
レーザー照射時におけるガスの流量を１２Ｌ／ｍｉｎとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を１２Ｌ／ｍｉｎよりも小さくして、３次元構造体を造形した。実施例３において造形された３次元構造体のＸ線ＣＴ計測を行い、密度を計測した。実施例３における３次元構造体の密度は、９９．６％であった。実施例３におけるＸ線ＣＴ計測断面図を図９に示す。
【００４１】
［比較例１］
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を２Ｌ／ｍｉｎとして、３次元構造体を造形した。比較例１において造形された３次元構造体のＸ線ＣＴ計測を行い、密度を計測した。比較例１における３次元構造体の密度は、９８．２％であった。比較例１におけるＸ線ＣＴ計測断面図を図１０に示す。
【００４２】
［比較例２］
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎとして、３次元構造体を造形した。しかしながら、比較例２では、金属粉末層を形成する際に金属粉末が飛び散り、３次元構造体を造形することができなかった。
【００４３】
［比較例３］
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎとして、３次元構造体を造形した。しかしながら、比較例３では、金属粉末層を形成する際に金属粉末が飛び散り、３次元構造体を造形することができなかった。
【００４４】
［比較例４］
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を１５Ｌ／ｍｉｎとして、３次元構造体を造形した。しかしながら、比較例４では、金属粉末層を形成する際に金属粉末が飛び散り、３次元構造体を造形することができなかった。
【００４５】
［比較例５］
レーザー照射時におけるガスの流量を１５Ｌ／ｍｉｎとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を１５Ｌ／ｍｉｎよりも小さくして、３次元構造体を造形した。比較例５において造形された３次元構造体のＸ線ＣＴ計測を行い、密度を計測した。比較例５における３次元構造体の密度は、８９％であった。比較例５におけるＸ線ＣＴ計測断面図を図９に示す。
【００４６】
（密度計測結果）
図６に、実施例１〜３及び比較例１〜５における、密度の計測結果をまとめて示す。図６に示すように、実施例１〜３は、比較例１及び比較例５に比較して、より高密度の３次元構造体を造形することができた。このことから、実施例１〜３では、ヒュームを十分に除去しつつレーザーの照射を行うことができたと考えられる。
【００４７】
また、比較例２〜４では、金属粉末が飛び散り、３次元構造体を造形することができなかった。このことから、実施例１〜３では、金属粉末層を形成する際にガスの流量を少なくすることによって金属粉末が飛び散ることを抑制していることが確認された。
【００４８】
（欠陥個数のカウント）
実施例１において造形した３次元構造体と、比較例１において造形した３次元構造体と、において、Ｘ線ＣＴ計測断面図から欠陥箇所の個数をカウントした。カウント結果を図１３に示す。図１３に示すように、実施例１では、比較例１に比較して、欠陥個数が少なかった。このことから、実施例１では、欠陥の発生を抑制しつつ３次元構造体を造形することができることが確認された。
【００４９】
以上で説明した本実施の形態に係る発明により、ヒューム及びスパッタを十分に除去可能な積層造形方法を提供することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  積層造形装置
２  チャンバー
３  ホッパー
３ａ  リコーター
３ｂ  ブレード
４  造形空間
５  ベースプレート
６  ガス置換部
７  ガス供給部
８  排気部
９  レーザー
９１  レーザー発振器
１０  ３次元構造体
１０ａ、１００ａ  金属粉末層
１０ｂ、１００ｂ  固化層
１０ｃ、１００ｃ  溶融金属
１２、１２０  スパッタ
１３、１３０  ヒューム
【図１】
2020128584.tif 000003
【図２】
2020128584.tif 000004
【図３】
2020128584.tif 000005
【図４】
2020128584.tif 000006
【図５】
2020128584.tif 000007
【図６】
2020128584.tif 000008
【図７】
2020128584.tif 000009
【図８】
2020128584.tif 000010
【図９】
2020128584.tif 000011
【図１０】
2020128584.tif 000012
【図１１】
2020128584.tif 000013
【図１２】
2020128584.tif 000014
【図１３】
2020128584.tif 000015