(57)【要約】【課題】  昇華性材料を用いた粉末積層溶融法において昇華を抑制し、造形物の空隙を低減する。【解決手段】  大気圧近傍で融点を持つ粉材料Ａと昇華性の粉材料Ｂとを混合し、混合紛体からなる粉末層を形成後、ビーム照射前に前記粉末層に振動を与え、粉末層表面の粉材料Ａの露出割合を増やすことで粉材料Ｂの露出割合を減らし、ビームから受けるエネルギーによって粉材料Ｂが昇華することを抑制する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末積層溶融法を用いた立体物の製造方法であって、大気圧近傍で融点を持つ粉材料Ａと大気圧近傍で融点を持たない昇華性の粉材料Ｂとを含む粉末層を形成する工程と、前記粉末層にエネルギービームを照射する工程とを有し、前記粉末層の表面に露出している各粉材料の割合を、前記粉材料Ａの方が前記粉材料Ｂに比べて多くすることを特徴とする立体物の製造方法。
【請求項２】
前記粉材料Ｂからなる層の上に前記粉材料Ａからなる層を形成して、前記粉末層を形成することを特徴とする請求項１に記載の立体物の製造方法。
【請求項３】
前記粉材料Ａと粒子径が前記粉材料Ａより大きい前記粉材料Ｂとの混合粉からなる層を形成した後に、前記混合粉からなる層に振動を加えて前記粉末層を形成することを特徴とする請求項１に記載の立体物の製造方法。
【請求項４】
前記振動を前記粉の層に対して垂直な方向に加えることを特徴とする請求項３に記載の立体物の製造方法。
【請求項５】
前記粉材料Ｂが炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の立体物の製造方法。
【請求項６】
前記粉材料Ａが炭化ケイ素と共晶する金属ホウ化物であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の立体物の製造方法。
【請求項７】
前記金属ホウ化物は、炭化ケイ素の昇華点よりも低い融点を持つことを特徴とする請求項６に記載の立体物の製造方法。
【請求項８】
前記金属ホウ化物が、一ホウ化クロム、二ホウ化クロム、二ホウ化バナジウムのうちのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の立体物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末積層溶融法に関し、特に昇華性粉末材料の造形方法に関する
【背景技術】
【０００２】
金属の新しい加工方法の一つとして、付加加工（Additive Manufacturing:通称AM）が注目されている。付加加工は少量多品種の部品や、複雑な形状を有する部品を製作するのに適している。付加加工方法にはいくつか種類があるが、本発明は「粉末積層溶融法（Powder Bed Fusion）」と呼ばれる技術に関するものである。
【０００３】
粉末積層溶融法とは、粉敷きプロセスとビーム照射プロセスを連続して繰り返し行う方法をいう。ビームとしては主にレーザービームや電子ビームを用いることが多い。
【０００４】
粉敷きプロセスではスキージ等の粉敷き部材を使って、造形ステージ上に粉からなる層を形成する。粉敷きプロセス後、ビーム照射プロセスが行われる。ビーム照射プロセスでは、目的とする造形パターンに応じて粉体層上に前述のレーザービームや電子ビームを照射し、粉を焼結あるいは溶融させる。ビーム照射プロセス後に、造形ステージを１層分下降させ、再び粉敷きプロセスを行う。以上の動作を繰り返すことで三次元立体形状物を造形する。
【０００５】
近年では従来から使用している金属粉に加えて、加工が難しい炭化珪素（以下ＳｉＣ）などのセラミックス粉を使った造形が検討されている。しかし、炭化物、ホウ化物、窒化物などのセラミックスの多くはエネルギーを急激に付与すると溶融せずに昇華してしまう、あるいは、溶融固化時に結晶化せずに脆くなる、などの技術上の課題がある。軽量性、耐摩耗性、耐熱性、耐衝撃性、化学安定性などに優れ、幅広い分野での用途が期待されているＳｉＣは、常圧で融点を持たず、２５４５℃付近（温度については２７００℃など諸説がある）で昇華してしまう材料である。
【０００６】
特許文献１には、粉末床溶融結合法を用いてＳｉＣからなる造形物を作製する方法として、珪素（以下Ｓｉ）とＳｉＣとの混合粉末を原料とする方法が提案されている。この方法によれば、Ｓｉを溶融固化することにより、ＳｉとＳｉＣとの複合材料からなる造形物を作製することができる。
【０００７】
また、特許文献２には、共晶や包晶などの過渡液相焼結を利用して造形し得る混合材料の候補が開示されている。ＳｉＣからなる造形物を作製する造形材料の候補として、ＳｉＣと酸化アルミニウムと希土類酸化物とシリカの混合物、ＳｉＣと窒化アルミニウムと希土類酸化物の混合物、ＳｉＣと金属ゲルマニウムとの混合物が例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−５３８４７号公報
【特許文献２】特表２０１６−５２７１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に記載の方法で作製した造形物は、レーザー照射時にＳｉＣのほとんどが急激な加熱により昇華する。ＳｉＣ昇華による空隙形成、ＳｉとＳｉＣとの境界部の接合の弱さなどの理由により、得られる造形物は脆くなる。
【００１０】
特許文献２に記載されている材料では、シリカは１９００℃で一酸化ケイ素と酸素に分解し、窒化アルミニウムは２２００℃で昇華し、金属ゲルマニウムは２４００℃以下で沸騰する。従って、これらの材料と２５４５℃の昇華点を持つＳｉＣとを混合して一緒に加熱しても、ＳｉＣが溶融する前に、ＳｉＣと混合した材料が揮発したり沸騰したりしてしまい、実際には共晶や包晶を含む造形物を得られないものと推測される。特許文献１に記載の造形物と同様にＳｉＣと他の組成との境界部の接合が弱く、脆い造形物となっているものと考えられる。
【００１１】
上記課題に対し本発明者らは、ＳｉＣと、ＳｉＣの昇華点よりも低い融点を持つＣｒＢ２などの金属ホウ化物を含む粉末（以下、単に粉ともいう）を使用して検討を行った。ＳｉＣと金属ホウ化物は共晶または亜共晶するため、ＳｉＣに過渡液相が生じ、上記課題の解決が可能となった。
【００１２】
さらに本発明者らは上記方法による検討を進め、ＳｉＣと金属ホウ化物による造形物のさらなる物性向上を目指した。物性向上の態様としては、例えば造形物の強度向上や空隙低減（緻密化）などが挙げられる。これら物性向上を実現するために、粉末に投入するレーザービームのエネルギーを増大させる検討を行った。そこで以下に説明するような新しい課題に直面した。
【００１３】
図１は、造形プレート（ＳＵＳ製）上にＳｉＣとＣｒＢ２の混合粉からなる粉末層を形成し、該粉末層をレーザーで１ライン照射した後の粉末層の表面の状態を示す光学顕微鏡写真である。
【００１４】
レーザー照射した箇所（ライン）には上述したようにＳｉＣ粉とＣｒＢ２粉の溶融凝固体ができているが、ライン周縁の粉は無くなり造形プレートが露出している。写真で白っぽく見える部分が造形プレートの露出部である。この造形プレートの露出の想定要因について図２を参照して説明する。図２に示すように、ＳｉＣとＣｒＢ２の混合粉にレーザーを照射すると、共晶現象によって液状態（以下、メルトプールともいう）となる。この粉末状態から液状態になる過程で、共晶過程を経ずにＳｉＣの昇華が部分的に発生する。これは、レーザー照射を受ける粉末層の表面にＳｉＣが位置する場合、そのＳｉＣはレーザービームによって急激に温度が上昇し、ＣｒＢ２と共晶する前に昇華するためである。この部分的なＳｉＣの昇華によって、レーザー照射部の周辺の粉が吹き飛ばされ、ライン周縁部の粉が無くなるものと想定される。この現象は、レーザービームから粉末に投入されるエネルギーを増大させると顕著になる現象である。
【００１５】
以上のように部分的に粉が失われてしまうと、最終的な造形物に空隙が生じてしまい、同時にＳｉＣの性質が失われてしまうという課題が生ずる。
【００１６】
そこで本発明の目的は、セラミックスの共晶現象を利用した３次元積層造形方法において、昇華性材料の昇華を抑制し、３次元造形物の物性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一つの観点によれば、粉末積層溶融法を用いた立体物の製造方法であって、大気圧近傍で融点を持つ粉材料Ａと大気圧近傍で融点を持たない昇華性の粉材料Ｂとを含む粉末層を形成する工程と、前記粉末層にエネルギービームを照射する工程とを有し、前記粉末層の表面に露出している各粉材料の割合を、前記粉材料Ａの方が前記粉材料Ｂに比べて多くすることを特徴とする立体物の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、造形に用いる粉末に特殊な処理を施すことなく、かつ、複数の粉の配合比を維持したまま、簡単な方法でレーザー照射による昇華性材料の昇華を抑制できるため、昇華性材料を含んだ粉末を用いた造形が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】昇華性材料の昇華による粉飛び現象を説明する図
【図２】昇華性材料の昇華による粉飛び現象のメカニズムを説明する図
【図３】本発明の粉末積層溶融法を実現する装置の構成を説明する図
【図４】ブラジルナッツ効果を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の種々な形で実施することができる。
【００２１】
本発明に係る立体物の製造方法は、大気圧近傍で融点を持つ粉材料Ａと大気圧近傍で融点を持たない昇華性の粉材料Ｂとを含む粉末層を形成する工程と、前記粉末層にエネルギービームを照射する工程とを有し、前記粉末層の表面に露出している各粉材料の割合を、前記粉材料Ａの方が前記粉材料Ｂに比べて多くすることを特徴とする。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
図３は本発明に係る立体物の製造方法を実施するための装置の一例の構成を示す図であり、該装置１にはガスを導入可能なチャンバー２内に、３次元造形物を形成する造形ステージ３と、粉体を供給するための粉供給槽４Ａ、４Ｂが設けられている。
【００２４】
造形ステージ３上には造形プレート６が取り付けられており、該造形プレート６上に３次元立体造形物１９を造形する。本実施例では、造形プレート６はＳＵＳ製でサイズは１１０ｍｍ×１１０ｍｍ×１５ｍｍとした。
【００２５】
また、粉供給槽４Ａ、４Ｂから粉を造形プレート６上に搬送し、厚みが１０〜１００μｍ程度の粉末層を形成するためのスキージ５が設けられている。
【００２６】
造形プレート６の上方にはレーザービーム７を透過させる透過窓８があり、透過窓８を介してレーザービーム７を造形プレート６上に走査させるための光学系９や、レーザー発振器１０が設けられている。
【００２７】
本実施例のレーザー発振器１０としては、波長１０７０ｎｍのファイバーレーザー（最大出力３００Ｗ）を使用した。レーザー発振器１０から出たレーザービーム７はガルバノスキャナ１１とｆ−θレンズ１２によって、造形プレート６上の粉末層の表面１３に集光し、粉末層表面１３を走査する。
【００２８】
チャンバー２内を窒素等の不活性ガスに置換するために、チャンバー２内を一度真空引きするための真空ポンプ１４も設けられている。
【００２９】
次に、上記装置構成による３次元積層造形プロセスの手順を詳細に説明する。まず本実施例で使う粉について説明する。本実施例では粒子径Φ１４．７μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉（太平洋ランダム（株）製）と、金属ホウ化物としての粒子径Φ５μｍの二ホウ化クロム（ＣｒＢ２）粉（日本新金属（株）製）の２種類の粉を使用した。ここでは金属ホウ化物として二ホウ化クロムを用いるが、炭化珪素と共に造形に用いる金属ホウ物には、一ホウ化クロム、二ホウ化クロム、二ホウ化バナジウムなど、ＳｉＣの昇華点よりも低い融点を持つ金属ホウ化物を用いることができる。
【００３０】
ここで、本発明における、粉末の粒子径について説明する。粉末に含まれる粒子径はある範囲に分布を持っており、中央値、最大粒子径が規定されている。ＳｉＣについては、すでに業界で標準化された粒子径の評価方法に従い、ＪＩＳ  Ｒ６００１−２「研削といし用研削材の粒度」に従って電気抵抗法によって測定された値を粒子径とする。ＳｉＣ以外の粒子径については、その粉末における頻度の累積が５０％となる中央値粒子径を用いる。
【００３１】
ＳｉＣ粉を粉供給槽４Ａに収容し、ＣｒＢ２を粉供給槽４Ｂに収容した。次に前記真空ポンプ１４を使って、チャンバー２内を真空引きした。十分に真空引きを実施した後、ガス導入部２０から不活性ガスを導入し、チャンバー２内の圧力を不活性ガスで大気圧になるようにした。不活性ガスとしては窒素（Ｎ２）やアルゴン（Ａｒ）等が主に使われるが、本実施例ではＮ２ガスを用いた。
【００３２】
チャンバー２内がＮ２ガスに置換された後、造形プレート６上に粉末層を形成するために、造形ステージ３を、形成する粉末層の厚み分だけ下降させる。本実施例ではＳｉＣとＣｒＢ２の粉末層を別々に形成するため、まずＳｉＣ粉末層形成のために造形ステージ３を２０μｍ降下させた。次に、粉供給槽４Ａの底部にある粉供給ステージ１５を５０μｍ上昇させてＳｉＣ粉を上部に押し出した後、スキージ５を図３の左側から造形プレート６に向かって走査することで造形プレート６上にＳｉＣの粉末層を形成した。この時、ＣｒＢ２が収容されている粉供給槽４Ｂと造形プレート６との間に位置する粉回収口１７を開けてあるため、ＳｉＣの粉末層を形成する時に出た余分なＳｉＣ粉が粉回収口１７を通じて不図示の粉回収槽に回収される。以上のプロセスを経て造形プレート６上に厚み２０μｍのＳｉＣ粉末層を形成した。
【００３３】
次にＣｒＢ２の粉末層を上記のＳｉＣ粉末層の上に形成する。ＣｒＢ２粉末層の形成手順は基本的にはＳｉＣの場合と同様である。本実施例ではＣｒＢ２の割合をＳｉＣよりも少なくするため、造形ステージ３の降下量を１０μｍとした。
【００３４】
次に粉供給槽４Ｂの底部にある粉供給ステージ１６を５０μｍ上昇させてＣｒＢ２を上部に押し出した。スキージ５を図３の右側から造形プレート６に向かって走査し、すでに形成されているＳｉＣ粉末層上にＣｒＢ２の粉末層を形成した。この時、ＳｉＣ粉末層を形成する時に開けていた粉回収口１７は閉じ、造形プレート６を挟んで反対側に位置する粉回収口１８を開けた状態にしている。したがってＣｒＢ２粉末層を形成する時に出た余分なＣｒＢ２粉は粉回収口１８を通じて不図示の粉回収槽に回収される。
【００３５】
以上の粉敷きプロセスによって、粉末層の下層がＳｉＣで、上層がＣｒＢ２である粉末層が形成される。粉末層全体の厚みは３０μｍとなり、粉末層の表面は主にＣｒＢ２が覆う形態となる。本発明の特徴である粉末層表面の各粉の露出割合については、露出割合は粉末層を上方から撮影したときの投影面積を比較しても良いし、粉末層の表面をＸＰＳやＥＤＸ等で元素分析し、得られた原子組成比を比較する手段でも良い。
【００３６】
次に上記のように形成した粉末層にレーザービーム７を照射した。ＣＡＤ等で作成した造形モデルをスライサーソフトウェアで１層１層のレーザー照射パターンに変換した。変換したパターンに応じてガルバノスキャナ１１を制御し、粉末層にレーザービーム７を照射した。レーザーパワーは１００Ｗ、レーザースキャン速度は５００ｍｍ／ｓ、スキャンピッチは０．０５μｍとした。またレーザービーム７照射時は不図示のヒュームコレクターを作動させ、レーザービーム７照射時に発生するヒュームを回収した。レーザービーム７が走査した領域の粉は溶融し、上述した共晶現象を経てバルク体として凝固し、それ以外の領域は初期の粉の状態のままで残る。
【００３７】
ここで本粉末層にレーザービーム７を照射した時の現象について説明する。上述のように本粉末層の下層には昇華性材料のＳｉＣ粉末層があり、その上層にＣｒＢ２の粉末層がある形態となっているため、レーザービーム７は主にＣｒＢ２が受光する。ＣｒＢ２は大気圧で液相（融点２２００℃）を持つため、レーザービーム７を照射するとＣｒＢ２が溶けてＳｉＣ上を濡れ拡がる。したがって、ＳｉＣの表面をレーザー照射することで生じる急加熱による爆発的な昇華を抑制することができる。さらにＳｉＣ上に濡れ拡がったＣｒＢ２はＳｉＣ粉末層の隙間に毛管現象で染み込んでいく。染み込んだＣｒＢ２がＳｉＣと共晶し、ＳｉＣの液相が生じるため、ＳｉＣとＣｒＢ２の溶融凝固体を形成することができる。
【００３８】
以上のようなレーザービーム７の照射が終了すると、再び前述の粉敷きプロセスによってＳｉＣとＣｒＢ２の粉末層を形成し、次の層のパターンに応じてレーザービーム７を粉末層上に照射する。以上の動作を繰り返すことで、ＳｉＣの昇華を抑制しながら３次元立体形状物を製造することができる。本実施例ではＳｉＣ粉とＣｒＢ２粉の組み合わせについて説明したが、これ以外の組み合わせの粉を用いても良い。また、特に本実施例のように共晶現象を利用しなくてもよく、例えばＳｉＣと金属粉を使い、溶融金属に、ＳｉＣ粒子同士を繋げるバインダーの役割を果たさせてもよい。
【実施例２】
【００３９】
実施例２では、ＳｉＣとＣｒＢ２の混合粉体を用いた。まず本実施例で用いた粉について説明する。実施例１の場合と異なり、本実施例ではＳｉＣの粒子径よりＣｒＢ２の粒子径を大きくした。具体的にはＳｉＣは粒子径Φ５μｍ（信濃電気製錬（株）製）の粉を使用し、ＣｒＢ２は粒子径Φ３０μｍ（（株）豊島製作所製）の粉を使用した。
【００４０】
さらに、ＳｉＣとＣｒＢ２の原子組成比がＳｉＣ：ＣｒＢ２＝７０：３０（at％）となるようにそれぞれの粉を計量し、計量した粉をポリ瓶に入れて混合した。混合方法は任意の方法でよく、本実施例では粉を入れたポリ瓶を手振りで１００回振った後、ミックスローターで２時間混合した。
【００４１】
次に上記で得られたＳｉＣとＣｒＢ２の混合粉を粉供給槽に収容した。本実施例では１種類の混合粉だけを使うため、実施例１で述べたような粉供給槽は２つ使用する必要はない。したがって図示はしないが装置構成としては、実施例１の粉供給槽４Ａのみを使用し、粉供給槽４Ｂは空にした状態で粉敷き時の余分な粉を回収するためのスペースとして活用することが考えられる。
【００４２】
混合粉の粉敷き方法は基本的には実施例１と同じであり、粉供給槽４Ａ内の混合粉をスキージ５等の粉敷き部材を使って造形プレート６上に粉体層を形成する。今回、紛体層の厚みは５０μｍとした。レーザーパワー等の照射条件は実施例１と同じ設定とした。また雰囲気の不活性ガスも実施例１と同様にＮ２を使用した。
【００４３】
本実施例の混合粉で粉末層を形成すると、粉末層の表面の露出割合はＳｉＣの方がＣｒＢ２よりも多くなることがある。ここで各粉の露出割合は実施例１で述べた方法で算出する。
【００４４】
ＳｉＣが多く粉末層表面に露出している状態においてレーザービーム７を照射すると、実施例１で述べたようにＳｉＣの昇華が多く発生する。
【００４５】
そこで混合粉からなる粉末層の表面にＣｒＢ２が露出する割合を増やすために、粉末層の形成後、ビーム照射前に、混合粉からなる粉末層に振動を加える。粉末層に振動を加えるとＣｒＢ２が粉末層の表面に浮かび上がってくる。粉末層に振動を加える方法は任意の方法で良いが、少なくとも粉末層に対して垂直な方向に振動成分が存在するような振動を加えることが好ましい。例えば造形ステージ３の下部に超音波振動子を設置し、造形ステージ３を振動させることで粉末層を振動させる方法が挙げられる。
【００４６】
ここで振動によってＣｒＢ２が粉末層の表面に浮かび上がるメカニズムについて説明する。図４に示すように、粉末層に振動を加えると、粒径の大きいＣｒＢ２粉の隙間に粒径の小さいＳｉＣ粉が入り込み、粒径の大きいＣｒＢ２粉が粉末層の表面に浮かび上がる。この現象はブラジルナッツ効果として知られている粉体現象である。このブラジルナッツ効果を利用すれば、混合紛体におけるＳｉＣとＣｒＢ２の配合比を変えることなく、混合粉末層の表面へのＣｒＢ２の露出割合を容易に増やすことが可能となる。
【００４７】
振動後の粉末層の乱れを整え、粉同士の密着性を高める目的で、振動印加後に粉供給槽４Ａから粉を供給しないでスキージ５のみで何度か粉末層表面上を走査しても良い。
【００４８】
以上の方法によって混合粉末層の表面にＣｒＢ２が浮かび上がるため、レーザービーム７の受光をＣｒＢ２が行う割合が増え、実施例１で説明したのと同様の理由からＳｉＣの昇華を効果的に抑制することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  立体物の製造方法を実施する装置
２  チャンバー
３  造形ステージ
４Ａ、４Ｂ  粉供給槽
５  スキージ
６  造形プレート
７  レーザービーム
８  透過窓
９  光学系
１０  レーザー発振器
１１  ガルバノスキャナ
１２  ｆ−θレンズ
１３  粉末層表面
１４  真空ポンプ
１５、１６  粉供給ステージ
１７、１８  粉回収口
１９  造形物
２０  ガス導入部
【図１】
2020007170.tif 000003
【図２】
2020007170.tif 000004
【図３】
2020007170.tif 000005
【図４】
2020007170.tif 000006