(57)【要約】【課題】コストを抑制しつつ造形物の製造時間を短縮できる積層造形方法を提供する。【解決手段】一実施形態に係る積層造形方法は、原料粉末の貯蔵部から分級装置を介することなく前記原料粉末を粉末ベッドに供給して前記原料粉末を第１積層厚さで積層するステップと、前記第１積層厚さで積層されている該原料粉末にエネルギービームを照射して溶融固化させることで造形物の第１領域を造形するステップと、前記貯蔵部から前記分級装置を介することなく前記原料粉末を前記粉末ベッドに供給して前記原料粉末を前記第１積層厚さよりも大きな第２積層厚さで積層するステップと、前記第２積層厚さで積層されている該原料粉末に前記エネルギービームを照射して溶融固化させることで前記造形物の第２領域を造形するステップと、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料粉末の貯蔵部から分級装置を介することなく前記原料粉末を粉末ベッドに供給して前記原料粉末を第１積層厚さで積層するステップと、
前記第１積層厚さで積層されている該原料粉末にエネルギービームを照射して溶融固化させることで造形物の第１領域を造形するステップと、
前記貯蔵部から前記分級装置を介することなく前記原料粉末を前記粉末ベッドに供給して前記原料粉末を前記第１積層厚さよりも大きな第２積層厚さで積層するステップと、
前記第２積層厚さで積層されている該原料粉末に前記エネルギービームを照射して溶融固化させることで前記造形物の第２領域を造形するステップと、
を備える積層造形方法。
【請求項２】
前記粉末ベッドに供給された後に前記第１領域の造形及び前記第２領域の造形に用いられなかった前記原料粉末を回収して、前記貯蔵部に戻すステップ
をさらに備える請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項３】
前記第１領域を造形するステップでは、前記第１積層厚さで積層されている該原料粉末に前記エネルギービームを第１スキャン速度でスキャンしながら照射して溶融固化させ、
前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さで積層されている該原料粉末に前記エネルギービームを前記第１スキャン速度よりも小さな第２スキャン速度でスキャンしながら照射して溶融固化させる
請求項１又は２に記載の積層造形方法。
【請求項４】
前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さで積層されている該原料粉末に対して、前記第１積層厚さと前記第１スキャン速度との積よりも前記第２積層厚さと前記第２スキャン速度との積の方が大きくなるように設定された前記第２スキャン速度で前記エネルギービームをスキャンしながら照射して溶融固化させる
請求項３に記載の積層造形方法。
【請求項５】
前記第１領域を造形するステップでは、前記第１積層厚さを２０マイクロメートル以上５５マイクロメートル以下とし、
前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さを５５マイクロメートルを超え８５マイクロメートル以下とする
請求項１乃至４の何れか一項に記載の積層造形方法。
【請求項６】
前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さを前記第１積層厚さの１．０倍を超え２．０倍未満とする
請求項１乃至４の何れか一項に記載の積層造形方法。
【請求項７】
前記原料粉末を前記第２積層厚さで積層するステップにおける前記原料粉末の平均粒径は、前記原料粉末を前記第１積層厚さで積層するステップにおける前記原料粉末の平均粒径の７０％以上１３０％以下の平均粒径である
請求項１乃至６の何れか一項に記載の積層造形方法。
【請求項８】
原料粉末の貯蔵部と、
前記貯蔵部から分級装置を介することなく供給された前記原料粉末による粉末ベッドが形成されるベースプレート、を有する粉末ベッド形成部と、
前記粉末ベッドに対してエネルギービームを照射可能なエネルギービーム照射ユニットと、
前記ベースプレート、及び、前記エネルギービーム照射ユニットを制御可能な制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、造形物を造形するための情報に基づいて、
前記造形物の第１領域の造形時に前記粉末ベッド上に前記原料粉末を第１積層厚さで積層させるために前記第１積層厚さに対応する第１下降量で前記ベースプレートが下降するように前記ベースプレートを制御し、
前記造形物の第２領域の造形時に前記粉末ベッド上に前記原料粉末を前記第１積層厚さよりも大きな第２積層厚さで積層させるために前記第２積層厚さに対応する第２下降量で前記ベースプレートが下降するように前記ベースプレートを制御する
積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、積層造形方法及び積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元形状物を積層造形する積層造形方法では、層状に敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のエネルギービームを照射することによって、溶融固化を繰り返し積層することにより三次元形状物を形成するため、三次元形状物の大きさが大きくなるほど、その完成までには、長い作業時間を要する。
例えば、パウダーベッド法による積層造形方法では、エネルギービームの照射前に原料粉末を粉末ベッド上に均一に敷設する。そこで、原料粉末を粉末ベッド上に均一に敷設する際の原料粉末の積層厚さを厚くすることで、原料粉末の積層回数を減らし、作業時間を短縮することが考えられる。
しかし、原料粉末の積層厚さを厚くすると、造形物における表面粗さが粗くなる等、造形物における特性が主として劣る方向に変化するおそれがある。
そこで、表面粗さを密にする必要がある部分の造形時には、原料粉末の積層厚さを薄くし、表面粗さを密にする必要性に乏しい部分の造形時には、原料粉末の積層厚さを厚くすることで造形物の製造時間を短縮できる積層造形方法が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２０４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の方法では、原料粉末を分級装置で分級し、表面粗さを密にする必要がある部分の造形時には、分級によって粒度が小さくなった原料粉末を用い、表面粗さを密にする必要性に乏しい部分の造形時には、分級によって粒度が大きくなった原料粉末を用いている。そのため、特許文献１に記載の方法では、原料粉末の分級装置が必要であり、積層造形装置が複雑化し、コスト増を招いてしまう。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、コストを抑制しつつ造形物の製造時間を短縮できる積層造形方法及び積層造形装置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】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る積層造形方法は、
原料粉末の貯蔵部から分級装置を介することなく前記原料粉末を粉末ベッドに供給して前記原料粉末を第１積層厚さで積層するステップと、
前記第１積層厚さで積層されている該原料粉末にエネルギービームを照射して溶融固化させることで造形物の第１領域を造形するステップと、
前記貯蔵部から前記分級装置を介することなく前記原料粉末を前記粉末ベッドに供給して前記原料粉末を前記第１積層厚さよりも大きな第２積層厚さで積層するステップと、
前記第２積層厚さで積層されている該原料粉末に前記エネルギービームを照射して溶融固化させることで前記造形物の第２領域を造形するステップと、
を備える。
【０００７】
上記（１）の方法によれば、原料粉末を第１積層厚さで積層するステップ及び原料粉末を第２積層厚さで積層するステップのそれぞれで、貯蔵部から分級装置を介することなく原料粉末を粉末ベッドに供給するので、分級装置を設ける必要がない。
また、上記（１）の方法によれば、造形物で要求される特性から原料粉末の積層厚さを第１積層厚さで積層させる必要がある部分では、原料粉末を第１積層厚さで積層させ、造形物で要求される特性から原料粉末の積層厚さを第２積層厚さで積層させてもよい部分では、原料粉末を第２積層厚さで積層させることができる。
したがって、上記（１）の方法によれば、コストを抑制しつつ造形物の製造時間を短縮できる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、前記粉末ベッドに供給された後に前記第１領域の造形及び前記第２領域の造形に用いられなかった前記原料粉末を回収して、前記貯蔵部に戻すステップをさらに備える。
【０００９】
仮に原料粉末を分級装置で分級して、第１領域の造形と第２領域の造形とで異なる粒度分布を有する原料粉末を用いるようにしていた場合、粉末ベッドに供給された後に造形に用いられなかった原料粉末を回収すると、回収後の原料粉末の粒度分布は、分級前（造形前）の原料粉末の粒度分布と異なることが多い。すなわち、第１領域の造形によって消費された原料粉末の量と、第２領域の造形によって消費された原料粉末の量とが異なり、例えば粒径の小さな原料粉末が粒径の大きな原料粉末よりも多く消費された場合、造形前の原料粉末の粒度分布と比べると、回収後の原料粉末の粒度分布は粒度が大きくなる方に移動する。
【００１０】
一般的に、分級装置における分級後の粉末の粒度分布は、分級前の粉末の粒度分布に依存する。したがって、原料粉末を分級装置で分級して、第１領域の造形と第２領域の造形とで異なる粒度分布を有する原料粉末を用いるようにしていた場合、造形に用いられなかった原料粉末を回収して再利用することを繰り返していると、原料粉末の粒度分布が徐々に変化し、分級後の原料粉末の粒度分布も徐々に変化する。そのため、造形物の表面粗さ等の特性も徐々に変化することとなってしまう。
【００１１】
その点、上記（２）の方法によれば、上記（１）の方法のように、貯蔵部から分級装置を介することなく原料粉末を粉末ベッドに供給するので、造形に用いられなかった原料粉末を回収して再利用することを繰り返しても原料粉末の粒度分布が変化することを抑制できるので、造形物の品質の変動を抑制できる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、
前記第１領域を造形するステップでは、前記第１積層厚さで積層されている該原料粉末に前記エネルギービームを第１スキャン速度でスキャンしながら照射して溶融固化させ、
前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さで積層されている該原料粉末に前記エネルギービームを前記第１スキャン速度よりも小さな第２スキャン速度でスキャンしながら照射して溶融固化させる。
【００１３】
上記（３）の方法によれば、第１積層厚さよりも大きな第２積層厚さで積層されている原料粉末にエネルギービームを第１スキャン速度よりも小さな第２スキャン速度でスキャンしながら照射して溶融固化させるので、第１積層厚さよりも大きな第２積層厚さで積層されている原料粉末に与えるエネルギーが不足することを抑制できる。これにより、溶融が不十分になることで造形物に欠陥が生じることを抑制できる。
【００１４】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の方法において、前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さで積層されている該原料粉末に対して、前記第１積層厚さと前記第１スキャン速度との積よりも前記第２積層厚さと前記第２スキャン速度との積の方が大きくなるように設定された前記第２スキャン速度で前記エネルギービームをスキャンしながら照射して溶融固化させる。
【００１５】
積層造形における原料粉末の１層当たりの積層厚さを厚くすれば造形物の製造時間を短縮できる。一方、エネルギービームのスキャン速度を落とすと、造形物の製造時間が長くなる。しかし、原料粉末の１層当たりの積層厚さを厚くすることによる製造時間の短縮時間がエネルギービームのスキャン速度を落とすことによる造形物の製造時間の増加時間よりも大きければ、造形物の製造時間を短縮できる。
すなわち、第１積層厚さと第１スキャン速度との積よりも第２積層厚さと第２スキャン速度との積の方が大きければ、第１積層厚さで積層させることと、エネルギービームを第１スキャン速度でスキャンしながら照射して溶融固化させることを繰り返して造形物の全体を製造した場合と比べて、製造時間を短縮できる。
したがって、上記（４）の方法によれば、造形物の製造時間を短縮できる。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの方法において、
前記第１領域を造形するステップでは、前記第１積層厚さを２０マイクロメートル以上５５マイクロメートル以下とし、
前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さを５５マイクロメートルを超え８５マイクロメートル以下とする。
【００１７】
上記（５）の方法によれば、造形物の内部の欠陥や表面粗さ等の造形物に要求される性能を確保しつつ、造形物の製造時間を短縮できる。
【００１８】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの方法において、前記第２領域を造形するステップでは、前記第２積層厚さを前記第１積層厚さの１．０倍を超え２．０倍未満とする。
【００１９】
上記（６）の方法によれば、造形物の内部の欠陥や表面粗さ等の造形物に要求される性能を確保しつつ、造形物の製造時間を短縮できる。
【００２０】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの方法において、前記原料粉末を前記第２積層厚さで積層するステップにおける前記原料粉末の平均粒径は、前記原料粉末を前記第１積層厚さで積層するステップにおける前記原料粉末の平均粒径の７０％以上１３０％以下の平均粒径である。
【００２１】
上記（７）の方法によれば、第１領域の造形に用いた原料粉末の平均粒径の７０％以上１３０％以下の平均粒径となる原料粉末を用いて第２領域を造形できる。
【００２２】
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る積層造形装置は、
原料粉末の貯蔵部と、
前記貯蔵部から分級装置を介することなく供給された前記原料粉末による粉末ベッドが形成されるベースプレート、を有する粉末ベッド形成部と、
前記粉末ベッドに対してエネルギービームを照射可能なエネルギービーム照射ユニットと、
前記ベースプレート、及び、前記エネルギービーム照射ユニットを制御可能な制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、造形物を造形するための情報に基づいて、
前記造形物の第１領域の造形時に前記粉末ベッド上に前記原料粉末を第１積層厚さで積層させるために前記第１積層厚さに対応する第１下降量で前記ベースプレートが下降するように前記ベースプレートを制御し、
前記造形物の第２領域の造形時に前記粉末ベッド上に前記原料粉末を前記第１積層厚さよりも大きな第２積層厚さで積層させるために前記第２積層厚さに対応する第２下降量で前記ベースプレートが下降するように前記ベースプレートを制御する。
【００２３】
上記（８）の構成によれば、第１領域の造形時及び第２領域の造形時のそれぞれで、貯蔵部から分級装置を介することなく原料粉末が粉末ベッドに供給されるので、分級装置を設ける必要がない。
また、上記（８）の構成によれば、造形物で要求される特性から原料粉末の積層厚さを第１積層厚さで積層させる必要がある部分では、原料粉末を第１積層厚さで積層させ、造形物で要求される特性から原料粉末の積層厚さを第２積層厚さで積層させてもよい部分では、原料粉末を第２積層厚さで積層させることができる。
したがって、上記（８）の構成によれば、コストを抑制しつつ造形物の製造時間を短縮できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、コストを抑制しつつ造形物の製造時間を短縮できる積層造形方法及び積層造形装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】三次元積層造形装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】幾つかの実施形態に係る積層造形方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】幾つかの実施形態に係る製造ステップにおける処理手順の一例を示したフローチャートである。
【図４】積層厚さＴを５０マイクロメートル、７０マイクロメートル及び９０マイクロメートルとしたときの造形品の密度を測定した結果を示すグラフの一例である。
【図５】積層厚さＴを５０マイクロメートル及び７０マイクロメートルとしたときの、造形品の寸法精度について説明するためのグラフである。
【図６】図５における造形品の表面粗さの測定結果を表すグラフである。
【図７】造形品の静的強度に関する試験結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２７】
（三次元積層造形装置１について）
図１は、本発明の少なくとも一実施形態に係る積層造形方法を適用可能な装置である、三次元積層造形装置１の全体構成を示す模式図である。
三次元積層造形装置１は、層状に敷設された原料粉末にエネルギービームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状の造形物１５を製造するための装置である。幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１は、例えば、ガスタービンや蒸気タービン等のタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒やノズル等の部品を形成することができる。
【００２８】
幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１は、原料粉末３０の貯蔵部３１を備える。幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１は、貯蔵部３１から分級装置を介することなく供給された原料粉末３０による粉末ベッド８が形成されるベースプレート２、を有する粉末ベッド形成部５を備える。幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１は、粉末ベッド８に対して光ビーム９ａを照射可能な光ビーム照射ユニット９を備える。幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１は、後述する粉末敷設ユニット１０、ベースプレート２の駆動シリンダ２ａ、及び、光ビーム照射ユニット９を制御可能な制御装置２０を備える。
【００２９】
ベースプレート２は、造形物１５が造形される土台となる。ベースプレート２は、鉛直方向に沿った中心軸を有する略筒形状のシリンダ４の内側に、駆動シリンダ２ａによって昇降可能に配置されている。ベースプレート２上に形成される粉末ベッド８は、造形作業の間、各サイクルにてベースプレート２が下降する毎に、上層側に粉末が敷設されることにより新たに形成される。
【００３０】
尚、本実施形態の三次元積層造形装置１ではエネルギービームとして光ビームを照射する場合を示すが、電子ビーム等の他の形態のエネルギービームを使用する場合にも、本発明の思想は同様に適用可能である。
【００３１】
三次元積層造形装置１は、ベースプレート２上に原料粉末３０を敷設して粉末ベッド８を形成するための粉末敷設ユニット１０を備える。粉末敷設ユニット１０は、貯蔵部３１から分級装置を介することなくベースプレート２の上面側に原料粉末３０を供給し、その表面を平坦化することによって、ベースプレート２の上面全体に亘って略均一な厚さを有する層状の粉末ベッド８を形成する。各サイクルで形成された粉末ベッド８には、光ビーム照射ユニット９から光ビーム９ａが照射されることによって選択的に固化され、次サイクルにて、粉末敷設ユニット１０によって再び上層側に原料粉末３０が敷設されることで、新たな粉末ベッド８が形成されることによって、層状に積み重ねられていく。
【００３２】
ベースプレート２の上面側に供給された原料粉末３０の表面を粉末敷設ユニット１０が平坦化すると、余剰の原料粉末３０は、原料粉末回収タンク３２に回収される。
なお、原料粉末回収タンク３２に回収された原料粉末３０は、粉末ベッド８において造形物１５の造形に用いられなかった原料粉末３０とともに、スパッタ等の異物を取り除くためにふるい掛けされた後、貯蔵部３１に戻される。
このように、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１では、粉末敷設ユニット１０からベースプレート２上に供給されたものの造形物１５の造形に用いられなかった原料粉末３０を回収して貯蔵部３１に戻すようにしている。造形物１５の造形に用いられなかった原料粉末３０は、上述したようにスパッタ等の異物を取り除くためのふるい掛けは行われるが、粒度分布の調整のための分級処理は行われない。
【００３３】
尚、粉末敷設ユニット１０から供給される原料粉末３０は、造形物１５の原料となる粉末状物質であり、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料や、セラミック等の非金属材料を広く採用可能である。
【００３４】
制御装置２０は、三次元積層造形装置１のコントロールユニットであり、例えばコンピュータのような電子演算装置によって構成される。
幾つかの実施形態に係る制御装置２０には、造形物１５の造形に必要な、造形物１５の形状、すなわち各部の寸法に関する情報が入力される。また、幾つかの実施形態に係る制御装置２０には、造形物１５についての第１領域１５ａ及び第２領域１５ｂが造形物１５のどの領域に該当するのかを表す情報が入力される。造形物１５を造形するためのこれらの情報は、例えば外部の装置から入力されて、例えば制御装置２０の不図示の記憶部に記憶される。
幾つかの実施形態では、第１領域１５ａと第２領域１５ｂとでは、寸法精度や表面粗さ、強度等、要求される特性の少なくとも１つが異なっている。幾つかの実施形態では、第１領域１５ａに要求される特性の少なくとも１つは、第２領域１５ｂに要求される特性よりも優れているものとする。すなわち、幾つかの実施形態では、第１領域１５ａに要求される品質は第２領域１５ｂに要求される品質よりも高い。
【００３５】
積層造形方法では、粉末の溶融固化を繰り返し積層することにより三次元形状物を形成するため、三次元形状物の大きさが大きくなるほど、その完成までには、長い作業時間を要する。
例えば、上記三次元積層造形装置１を用いたパウダーベッド法による積層造形方法では、光ビーム９ａの照射前に原料粉末３０を粉末ベッド８上に均一に敷設する。そこで、原料粉末３０を粉末ベッド８上に均一に敷設する際の原料粉末３０の積層厚さＴを厚くすることで、原料粉末３０の積層回数を減らし、作業時間を短縮することが考えられる。
しかし、原料粉末３０の積層厚さＴを厚くすると、造形物１５における表面粗さが粗くなる等、造形物における特性が主として劣る方向に変化するおそれがある。
【００３６】
そこで、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１では、造形物１５において第２領域よりも高い品質が要求される第１領域１５ａでは、原料粉末３０の積層厚さＴを第２領域における積層厚さＴよりも薄くすることで要求される品質を確保するようにしている。また、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１では、第１領域１５ａほど高い品質が要求されない第２領域１５ｂでは、原料粉末３０の積層厚さＴを第１領域１５ａよりも厚くすることで原料粉末３０の積層回数を減らし、作業時間を短縮するようにしている。
【００３７】
具体的には、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１では、制御装置２０は、造形物を造形するための情報に基づいて、造形物１５の第１領域１５ａの造形時に粉末ベッド８上に原料粉末３０を第１積層厚さＴ１で積層させるために第１積層厚さＴ１に対応する第１下降量Ｌ１でベースプレート２が下降するようにベースプレート２の駆動シリンダ２ａを制御する。なお、第１下降量Ｌ１は、第１積層厚さＴ１と等しい。
同様に、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１では、制御装置２０は、造形物を造形するための情報に基づいて、造形物１５の第２領域１５ｂの造形時に粉末ベッド８上に原料粉末３０を第１積層厚さＴ１よりも大きな第２積層厚さＴ２で積層させるために第２積層厚さＴ２に対応する第２下降量Ｌ２でベースプレート２が下降するようにベースプレート２の駆動シリンダ２ａを制御する。なお、第２下降量Ｌ２は、第２積層厚さＴ２と等しい。
【００３８】
すなわち、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１では、制御装置２０は、粉末敷設ユニット１０によってベースプレート２の上面側に原料粉末３０を供給する前に、次に造形する部分が第１領域１５ａに対応するのか、第２領域１５ｂに対応するのかを判断することで、ベースプレート２が下降量が第１下降量Ｌ１であるのか第２下降量Ｌ２であるのかを判断する。
そして、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、上述の判断によって決定した下降量でベースプレート２が下降するようにベースプレート２の駆動シリンダ２ａを制御する。
【００３９】
次いで、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、ベースプレート２の上面側に原料粉末３０を供給するように粉末敷設ユニット１０を制御する。
そして、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、粉末ベッド８に光ビーム９ａを照射するように光ビーム照射ユニット９を制御する。
以降、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、造形物１５の造形が終了するまで、上記の制御動作を繰り返し実行する。
以上の説明が、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１によって造形物１５を造形する際の積層造形方法の一実施形態の概要である。幾つかの実施形態に係る積層造形方法については、後でさらに説明する。
【００４０】
このように、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１では、造形物１５で要求される特性から原料粉末３０の積層厚さＴを第１積層厚さＴ１で積層させる必要がある部分（第１領域１５ａ）では、原料粉末３０を第１積層厚さＴ１で積層させ、造形物１５で要求される特性から原料粉末３０の積層厚さＴを第２積層厚さＴ２で積層させてもよい部分（第２領域１５ｂ）では、原料粉末３０を第２積層厚さＴ２で積層させることができる。
したがって、幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１によれば、コストを抑制しつつ造形物１５の製造時間を短縮できる。
【００４１】
（積層造形方法について）
以下、幾つかの実施形態に係る積層造形方法についてさらに説明する。
図２は、幾つかの実施形態に係る積層造形方法の処理手順を示すフローチャートである。幾つかの実施形態に係る積層造形方法は、製造ステップＳ１と、原料粉末回収ステップＳ２とを備える。
製造ステップＳ１は、例えば上述した幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１を用いて造形物１５を製造するステップである。製造ステップＳ１の詳細については、後で説明する。
【００４２】
原料粉末回収ステップＳ２は、粉末ベッド８に供給された後に第１領域１５ａの造形及び第２領域１５ｂの造形に用いられなかった原料粉末３０を回収して、貯蔵部３１に戻すステップである。
具体的には、幾つかの実施形態に係る積層造形方法では、原料粉末回収ステップＳ２において、上述したように、原料粉末回収タンク３２に回収された原料粉末３０、及び、粉末ベッド８において造形物１５の造形に用いられなかった原料粉末３０を、スパッタ等の異物を取り除くためにふるい掛けする。そして、スパッタ等の異物を取り除いた後の原料粉末３０を、貯蔵部３１に戻す。
【００４３】
仮に原料粉末３０を分級装置で分級して、第１領域１５ａの造形と第２領域１５ｂの造形とで異なる粒度分布を有する原料粉末３０を用いるようにしていた場合、粉末ベッド８に供給された後に造形に用いられなかった原料粉末３０を回収すると、回収後の原料粉末３０の粒度分布は、分級前（造形前）の原料粉末３０の粒度分布と異なることが多い。すなわち、第１領域１５ａの造形によって消費された原料粉末３０の量と、第２領域１５ｂの造形によって消費された原料粉末３０の量とが異なり、例えば粒径の小さな原料粉末３０が粒径の大きな原料粉末３０よりも多く消費された場合、造形前の原料粉末３０の粒度分布と比べると、回収後の原料粉末３０の粒度分布は粒度が大きくなる方に移動する。
【００４４】
一般的に、分級装置における分級後の粉末の粒度分布は、分級前の粉末の粒度分布に依存する。したがって、原料粉末３０を分級装置で分級して、第１領域１５ａの造形と第２領域１５ｂの造形とで異なる粒度分布を有する原料粉末３０を用いるようにしていた場合、造形に用いられなかった原料粉末３０を回収して再利用することを繰り返していると、原料粉末３０の粒度分布が徐々に変化し、分級後の原料粉末３０の粒度分布も徐々に変化する。そのため、造形物１５の表面粗さ等の特性も徐々に変化することとなってしまう。
【００４５】
その点、幾つかの実施形態に係る積層造形方法では、貯蔵部３１から分級装置を介することなく原料粉末３０を粉末ベッド８に供給するので、造形に用いられなかった原料粉末３０を回収して再利用することを繰り返しても原料粉末３０の粒度分布が変化することを抑制できるので、造形物１５の品質の変動を抑制できる。
【００４６】
図３は、幾つかの実施形態に係る製造ステップＳ１における処理手順の一例を示したフローチャートである。例えば上述した幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１を用いて造形物１５の製造を開始すると、制御装置２０の不図示のＣＰＵは、図３のフローチャートにおける処理を行うプログラムの実行を開始する。
【００４７】
幾つかの実施形態に係る製造ステップＳ１には、積層厚さ判定ステップＳ１０１と、第１領域積層ステップＳ１０５と、第１領域造形ステップＳ１０７と、第２領域積層ステップＳ１１５と、第２領域造形ステップＳ１１７とが含まれる。以下、図３に示したフローチャートにおける処理順序に沿って説明する。
【００４８】
（積層厚さ判定ステップＳ１０１）
積層厚さ判定ステップＳ１０１は、第１領域積層ステップＳ１０５又は第２領域積層ステップＳ１１５の実施に先立って、原料粉末３０の積層厚さＴ、すなわち、ベースプレート２の下降量を判定するステップである。
具体的には、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、次に造形する部分が第１領域１５ａに対応するのか、第２領域１５ｂに対応するのかを、造形物１５を造形するための情報に基づいて判断する。そして、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、次に造形する部分が第１領域１５ａに対応する領域であると判断すると、積層厚さＴを第１積層厚さＴ１に設定する。また、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、次に造形する部分が第２領域１５ｂに対応する領域であると判断すると、積層厚さＴを第２積層厚さＴ２に設定する。
【００４９】
（第１領域積層ステップＳ１０５）
積層厚さ判定ステップＳ１０１で積層厚さＴが第１積層厚さＴ１に設定された場合、第１領域積層ステップＳ１０５に進み、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、原料粉末３０を第１積層厚さＴ１でベースプレート２に積層させる。
すなわち、第１領域積層ステップＳ１０５は、貯蔵部３１から分級装置を介することなく原料粉末３０を粉末ベッド８に供給して原料粉末３０を第１積層厚さＴ１で積層するステップである。
具体的には、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、第１積層厚さＴ１と等しい第１下降量Ｌ１でベースプレート２が下降するように駆動シリンダ２ａを制御する。
次いで、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、ベースプレート２の上面側に原料粉末３０を供給するように粉末敷設ユニット１０を制御する。
第１領域積層ステップＳ１０５が実行されることで、粉末ベッド８の上部には、第１積層厚さＴ１で積層された原料粉末３０の層が形成される。
なお、第１積層厚さＴ１の具体的な値等については、後で説明する。
【００５０】
（第１領域造形ステップＳ１０７）
第１領域積層ステップＳ１０５が実行されると第１領域造形ステップＳ１０７に進み、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、粉末ベッド８に光ビーム９ａを照射するように光ビーム照射ユニット９を制御する。
すなわち、第１領域造形ステップＳ１０７は、第１積層厚さＴ１で積層されている粉末ベッド８上の原料粉末３０に光ビーム９ａを照射して溶融固化させることで造形物１５の第１領域１５ａを造形するステップである。
具体的には、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、第１領域１５ａを造形するために予め定められた光ビーム９ａの第１出力Ｗ１、及び、第１領域１５ａを造形するために予め定められた光ビーム９ａの第１スキャン速度Ｖ１で光ビーム９ａを照射するように、光ビーム照射ユニット９を制御する。
第１領域造形ステップＳ１０７が実施されることで、粉末ベッド８の上部に第１積層厚さＴ１の分だけ第１領域１５ａが新たに形成される。
【００５１】
第１領域造形ステップＳ１０７が実行されるとステップＳ１０９へ進み、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、造形物１５の造形が終了したか否かを判断する。
造形物１５の造形が終了していると判断されると（ステップＳ１０９肯定判断）、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、本プログラムの処理を終了する。
造形物１５の造形が終了していないと判断されると（ステップＳ１０９否定判断）、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、積層厚さ判定ステップＳ１０１に戻って、本プログラムの処理を継続する。
【００５２】
（第２領域積層ステップＳ１１５）
積層厚さ判定ステップＳ１０１で積層厚さＴが第２積層厚さＴ２に設定された場合、第２領域積層ステップＳ１１５に進み、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、原料粉末３０を第２積層厚さＴ２でベースプレート２に積層させる。
すなわち、第２領域積層ステップＳ１１５は、貯蔵部３１から分級装置を介することなく原料粉末３０を粉末ベッド８に供給して原料粉末３０を第１積層厚さＴ１よりも大きな第２積層厚さＴ２で積層するステップである。
具体的には、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、第２積層厚さＴ２と等しい第２下降量Ｌ２でベースプレート２が下降するように駆動シリンダ２ａを制御する。
次いで、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、ベースプレート２の上面側に原料粉末３０を供給するように粉末敷設ユニット１０を制御する。
第２領域積層ステップＳ１１５が実行されることで、粉末ベッド８の上部には、第２積層厚さＴ２で積層された原料粉末３０の層が形成される。
なお、第２積層厚さＴ２の具体的な値等については、後で説明する。
【００５３】
（第２領域造形ステップＳ１１７）
第２領域積層ステップＳ１１５が実行されると第２領域造形ステップＳ１１７に進み、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、粉末ベッド８に光ビーム９ａを照射するように光ビーム照射ユニット９を制御する。
すなわち、第２領域造形ステップＳ１１７は、第２積層厚さＴ２で積層されている粉末ベッド８上の原料粉末３０に光ビーム９ａを照射して溶融固化させることで造形物１５の第２領域１５ｂを造形するステップである。
具体的には、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、第２領域１５ｂを造形するために予め定められた光ビーム９ａの第２出力Ｗ２、及び、第２領域１５ｂを造形するために予め定められた光ビーム９ａの第２スキャン速度Ｖ２で光ビーム９ａを照射するように、光ビーム照射ユニット９を制御する。
第２領域造形ステップＳ１１７が実施されることで、粉末ベッド８の上部に第２積層厚さＴ２の分だけ第２領域１５ｂが新たに形成される。
【００５４】
第２領域造形ステップＳ１１７が実行されるとステップＳ１０９へ進み、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、造形物１５の造形が終了したか否かを判断する。
造形物１５の造形が終了していると判断されると（ステップＳ１０９肯定判断）、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、本プログラムの処理を終了する。
造形物１５の造形が終了していないと判断されると（ステップＳ１０９否定判断）、幾つかの実施形態に係る制御装置２０は、積層厚さ判定ステップＳ１０１に戻って、本プログラムの処理を継続する。
【００５５】
このように、幾つかの実施形態に係る積層造形方法によれば、第１領域積層ステップＳ１０５及び第２領域積層ステップＳ１１５のそれぞれで、貯蔵部３１から分級装置を介することなく原料粉末３０を粉末ベッド８に供給するので、分級装置を設ける必要がない。
また、幾つかの実施形態に係る積層造形方法によれば、造形物１５で要求される特性から原料粉末３０の積層厚さＴを第１積層厚さＴ１で積層させる必要がある部分（第１領域１５ａ）では、原料粉末３０を第１積層厚さＴ１で積層させ、造形物１５で要求される特性から原料粉末３０の積層厚さＴを第２積層厚さＴ２で積層させてもよい部分（第２領域１５ｂ）では、原料粉末３０を第２積層厚さＴ２で積層させることができる。
したがって、幾つかの実施形態に係る積層造形方法によれば、コストを抑制しつつ造形物の製造時間を短縮できる。
【００５６】
（第１積層厚さＴ１及び第２積層厚さＴ２について）
幾つかの実施形態では、第１積層厚さＴ１は、２０マイクロメートル以上５５マイクロメートル以下とするとよい。
また、幾つかの実施形態では、第２積層厚さＴ２は、５５マイクロメートルを超え８５マイクロメートル以下とするとよい。
図４は、積層厚さＴを５０マイクロメートル、７０マイクロメートル及び９０マイクロメートルとしたときの造形品の密度を測定した結果を示すグラフの一例である。図４における横軸は、積層された原料粉末３０に対する光ビーム９ａの入熱に関するパラメータであり、光ビーム９ａの出力Ｗを光ビーム９ａのスキャン速度Ｖで除した値である。
なお、図４に示した測定結果、及び、後述する各試験結果は、原料粉末３０として、例えばニッケル基超合金の粉末を用いた場合のものである。
【００５７】
図４に示すように、積層厚さＴを５０マイクロメートル及び７０マイクロメートルとした場合、積層された原料粉末３０に対する光ビーム９ａの入熱に対する相関が認められ、造形品の密度のピークの値も高い。なお、この原料粉末３０を用いて量産品を製造することを考えた場合、造形品の密度の下限値は、例えば９９．８０％である。
しかし、積層厚さＴを９０マイクロメートルとした場合、積層された原料粉末３０に対する光ビーム９ａの入熱に対する相関が認められず、造形品の密度のばらつきが積層厚さＴを５０マイクロメートル及び７０マイクロメートルとした場合と比べて大きい。
【００５８】
したがって、幾つかの実施形態では、上述したように第１積層厚さＴ１は、４５マイクロメートル以上５５マイクロメートル以下とするとよい。
また、幾つかの実施形態では、上述したように第２積層厚さＴ２は、５５マイクロメートルを超え８５マイクロメートル以下とするとよい。
なお、１層当たりの積層厚さが薄くなってしまうが、第１積層厚さＴ１の下限値は、２０マイクロメートルであってもよい。すなわち、第１積層厚さＴ１は、上述したように、２０マイクロメートル以上５５マイクロメートル以下とするとよい。
【００５９】
なお、第１積層厚さＴ１及び第２積層厚さＴ２を厚さの比で表した場合、第２積層厚さＴ２を第１積層厚さＴ１の１．０倍を超え２．０倍未満とするとよい。
ここで、第２積層厚さＴ２を第１積層厚さＴ１の１．０倍を超えるとよいとしたのは、第２積層厚さＴ２が第１積層厚さＴ１と等しいと、上述した、造形物１５の製造時間の短縮効果が得られないからである。
また、第２積層厚さＴ２を第１積層厚さＴ１の２．０倍未満とするとよいとしたのは、仮に、第１積層厚さＴ１を４５マイクロメートルとすると、第１積層厚さＴ１の２．０倍が９０マイクロメートルとなるからである。上述したように、積層厚さＴを９０マイクロメートルとした場合、積層された原料粉末３０に対する光ビーム９ａの入熱に対する相関が認められず、造形品の密度のばらつきが積層厚さＴを５０マイクロメートル及び７０マイクロメートルとした場合と比べて大きい。したがって、幾つかの実施形態では、第２積層厚さＴ２を第１積層厚さＴ１の２．０倍未満とするとよい。
【００６０】
第１積層厚さＴ１及び第２積層厚さＴ２を上述した厚さに設定することにより、造形物の内部の欠陥や表面粗さ等の造形物に要求される性能を確保しつつ、造形物の製造時間を短縮できる。
【００６１】
（スキャン速度Ｖについて）
第１積層厚さＴ１と第２積層厚さＴ２とを異なる値に設定した場合、スキャン速度Ｖに関し、第１領域１５ａの造形に適した値と、第２領域１５ｂの造形に適した値とが異なることが考えられる。
【００６２】
発明者らが鋭意検討した結果、第２領域１５ｂの造形に適した光ビーム９ａのスキャン速度Ｖ（上述した第２スキャン速度Ｖ２）は、第１領域１５ａの造形に適した光ビーム９ａのスキャン速度Ｖ（上述した第１スキャン速度Ｖ１）よりも小さい値であるとよいことを見出した。
【００６３】
そこで、幾つかの実施形態に係る積層造形方法では、第２スキャン速度Ｖ２を第１スキャン速度Ｖ１よりも小さい値に設定する。
すなわち、幾つかの実施形態に係る積層造形方法では、第１領域造形ステップＳ１０７において、第１積層厚さＴ１で積層されている原料粉末３０に光ビーム９ａを第１スキャン速度Ｖ１でスキャンしながら照射して溶融固化させ、第２領域造形ステップＳ１１７において、第２積層厚さＴ２で積層されている原料粉末３０に光ビーム９ａを第１スキャン速度Ｖ１よりも小さな第２スキャン速度Ｖ２でスキャンしながら照射して溶融固化させる。
これにより、第１積層厚さＴ１よりも大きな第２積層厚さＴ２で積層されている原料粉末３０に光ビーム９ａを第１スキャン速度Ｖ１よりも小さな第２スキャン速度Ｖ２でスキャンしながら照射して溶融固化させるので、第１積層厚さＴ１よりも大きな第２積層厚さＴ２で積層されている原料粉末３０に与えるエネルギーが不足することを抑制できる。これにより、溶融が不十分になることで造形物１５に欠陥が生じることを抑制できる。
【００６４】
幾つかの実施形態に係る積層造形方法では、第２領域造形ステップＳ１１７において、第２積層厚さＴ２で積層されている原料粉末３０に対して、第１積層厚さＴ１と第１スキャン速度Ｖ１との積（Ｔ１×Ｖ１）よりも第２積層厚さＴ２と第２スキャン速度Ｖ２との積（Ｔ２×Ｖ２）の方が大きくなるように設定された第２スキャン速度Ｖ２で光ビーム９ａをスキャンしながら照射して溶融固化させる。
【００６５】
積層造形における原料粉末３０の１層当たりの積層厚さＴを厚くすれば造形物１５の製造時間を短縮できる。一方、光ビーム９ａのスキャン速度Ｖを落とすと、造形物１５の製造時間が長くなる。しかし、原料粉末３０の１層当たりの積層厚さＴを厚くすることによる製造時間の短縮時間が光ビーム９ａのスキャン速度Ｖを落とすことによる造形物１５の製造時間の増加時間よりも大きければ、造形物１５の製造時間を短縮できる。
すなわち、第１積層厚さＴ１と第１スキャン速度Ｖ１との積（Ｔ１×Ｖ１）よりも第２積層厚さＴ２と第２スキャン速度Ｖ２との積（Ｔ２×Ｖ２）の方が大きければ、第１積層厚さＴ１で積層させることと、光ビーム９ａを第１スキャン速度Ｖ１でスキャンしながら照射して溶融固化させることを繰り返して造形物１５の全体を製造した場合と比べて、製造時間を短縮できる。
したがって、幾つかの実施形態に係る積層造形方法によれば、第１積層厚さＴ１と第１スキャン速度Ｖ１との積（Ｔ１×Ｖ１）よりも第２積層厚さＴ２と第２スキャン速度Ｖ２との積（Ｔ２×Ｖ２）を大きくすることで造形物１５の製造時間を短縮できる。
なお、第１積層厚さＴ１と第１スキャン速度Ｖ１との積（Ｔ１×Ｖ１）と、第２積層厚さＴ２と第２スキャン速度Ｖ２との積（Ｔ２×Ｖ２）とが等しい場合であっても、積層回数の減少分に相当する製造時間を短縮できる。
【００６６】
図５は、積層厚さＴを５０マイクロメートル及び７０マイクロメートルとしたときの、造形品の寸法精度について説明するためのグラフである。図５では、オーバーハング角度θが異なる複数の造形品について、ＣＡＤデータ、すなわち造形品の設計データと成形品の板厚との差を表したものである。
【００６７】
なお、図５において、Ｔ５０μｍとは、積層厚さＴを５０マイクロメートルとしたときの造形品のことを表し、Ｔ７０μｍとは、積層厚さＴを７０マイクロメートルとしたときの造形品のことを表すものとする。図６以降の後述する各図においても同様である。
【００６８】
図５に示すように、寸法精度に関しては、積層厚さＴを５０マイクロメートルとした造形品よりも、積層厚さＴを７０マイクロメートルとした造形品の方が僅かに悪化するが、オーバーハング角度θ及び要求される寸法精度によっては、差し支えのない範囲であると判断できる。
【００６９】
図６は、図５における造形品の表面粗さの測定結果を表すグラフである。図６に示すように、表面粗さに関しては、積層厚さＴを５０マイクロメートルとした造形品よりも、積層厚さＴを７０マイクロメートルとした造形品の方が僅かに悪化する。
【００７０】
図７は、造形品の静的強度に関する試験結果を表すグラフである。
図７に示すように、造形品の静的強度に関しては、積層厚さＴが５０マイクロメートルの造形品と、積層厚さＴが７０マイクロメートルの造形品とで顕著な差は生じていない。
【００７１】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、第１領域積層ステップＳ１０５及び第２領域積層ステップＳ１１５のそれぞれで、貯蔵部３１から分級装置を介することなく原料粉末３０を粉末ベッド８に供給するようにしている。そのため、第１領域積層ステップＳ１０５と第２領域積層ステップＳ１１５とで、粉末ベッド８に供給される原料粉末３０の粒度（例えば平均粒度）には、差がないものと考えられる。
しかし、例えば貯蔵部３１において原料粉末３０が粒度偏析を起こす等、何らかの原因によって、第１領域積層ステップＳ１０５と第２領域積層ステップＳ１１５とで、粉末ベッド８に供給される原料粉末３０の粒度に差が生じたとしても、その差が僅かであれば、造形物１５の品質に与える影響は無視し得るものと考えられる。
そこで、第２領域積層ステップＳ１１５における原料粉末３０の平均粒径が、例えば、第１領域積層ステップＳ１０５における原料粉末３０の平均粒径の７０％以上１３０％以下の平均粒径であっても差し支えないと考えられる。
【符号の説明】
【００７２】
１  三次元積層造形装置
２  ベースプレート
８  粉末ベッド
９  光ビーム照射ユニット
１０  粉末敷設ユニット
１５  造形物
１５ａ  第１領域
１５ｂ  第２領域
２０  制御装置
３０  原料粉末
３１  貯蔵部
３２  原料粉末回収タンク
【図１】
2020050921.tif 000003
【図２】
2020050921.tif 000004
【図３】
2020050921.tif 000005
【図４】
2020050921.tif 000006
【図５】
2020050921.tif 000007
【図６】
2020050921.tif 000008
【図７】
2020050921.tif 000009