(57)【要約】金属製の母材の表面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形方法は、粉末材料を母材の表面上に供給するステップと、粉末材料及び表面を摩擦攪拌して非溶融のまま粉末材料を表面に接合させるステップと、粉末材料が表面に接合されて構成された接合部上に粉末材料を供給するステップと、粉末材料及び接合部を摩擦攪拌して非溶融のまま粉末材料を接合部に接合させるステップとを含む。
2019172300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の母材の表面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形方法であって、
前記粉末材料を前記母材の前記表面上に供給するステップと、
前記粉末材料及び前記表面を摩擦攪拌して非溶融のまま前記粉末材料を前記表面に接合させるステップと、
前記粉末材料が前記表面に接合されて構成された接合部上に前記粉末材料を供給するステップと、
前記粉末材料及び前記接合部を摩擦攪拌して非溶融のまま前記粉末材料を前記接合部に接合させるステップと
を含む積層造形方法。
【請求項２】
前記表面に前記粉末材料を接合して前記表面に対して突出する立体形状の積層造形体が積層造形される、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項３】
前記接合部に前記粉末材料を供給しながら前記粉末材料及び前記接合部を摩擦攪拌して前記粉末材料を前記接合部上に接合させる、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項４】
前記粉末材料を前記表面に接合させるステップの前に、回転可能な回転工具を準備するステップをさらに備え、
前記回転工具は、
窪み面が形成された先端面と、
前記窪み面によって画定された保持空間と、
前記保持空間と前記回転工具の外部とを連通する連通部と
を備え、
前記連通部を介して前記粉末材料を前記保持空間に流入させながら前記回転工具を回転させることにより摩擦攪拌を行う、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項５】
前記回転工具を準備するステップの後に、前記回転工具の回転方向に沿って前記回転工具を囲むガイド部材を準備するステップをさらに備える、請求項４に記載の積層造形方法。
【請求項６】
前記粉末材料を前記母材の前記表面上に供給するステップの前に、前記粉末材料を供給するための供給部材を準備する工程をさらに備え、
前記粉末材料は、前記供給部材によって前記ガイド部材の内部に供給される、請求項５に記載の積層造形方法。
【請求項７】
前記金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル基合金、鉄系材、チタン合金、銅合金、ステンレス、又はインコネルである、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項８】
金属製の積層面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形装置であって、
前記積層造形装置は、回転可能な回転工具を備え、
前記回転工具は、
窪み面が形成された先端面と、
前記先端面のうち前記窪み面から最も突出した部分よりも突出するように設けられたピンと
を備える積層造形装置。
【請求項９】
前記回転工具は、前記窪み面によって画定された保持空間と前記回転工具の外部とを連通する連通部が形成されている、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１０】
前記先端面には、渦巻き状の渦巻き溝が形成されており、該渦巻き溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記先端面の外周縁に向かう方向に延びている、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１１】
前記積層面上に前記粉末材料を供給する供給部材をさらに備える、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１２】
金属製の積層面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形装置であって、
前記積層造形装置は、
先端面及び該先端面から突出するピンを有する回転可能な回転工具と、
前記回転工具の回転方向に沿って前記回転工具を囲むガイド部材と
を備える積層造形装置。
【請求項１３】
前記回転工具は円柱形状の外表面を有し、該外表面には螺旋状の螺旋溝が形成され、該螺旋溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記先端面から遠ざかる方向に延びている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記ガイド部材は、前記積層面に面する第１縁部と、該第１縁部に対向する第２縁部とを有し、前記ガイド部材には、前記第１縁部から前記第２縁部に向かって切り欠かれた切欠部が形成されている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記ガイド部材には、冷却流体が流通するための流路が形成されている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記ガイド部材の内部に前記粉末材料を供給するための供給部材をさらに備える、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記ピンの外周面にはねじ溝が形成され、該ねじ溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記ピンの基端から先端に向かって延びている、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１８】
前記ピンの外周面にはねじ溝が形成され、該ねじ溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記ピンの基端から先端に向かって延びている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、金属製の積層面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形方法及び積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の３Ｄ造形技術として、複雑な微細構造の造形を得意とするレーザー溶接法（ＳＬＭ）や、寸法の制約なしに高速・局所の造形が可能なレーザーメタルデポジション（ＬＭＤ）が挙げられる。しかし、これらの従来技術はいずれも、材料を溶融して造形する技術であるため、変形量が大きく、溶融できない材料や欠陥が生じやすい材料（例えば２０００系アルミ等）への適用が困難である。【０００３】
一方、造形技術ではなく接合技術ではあるが、接合部分を溶融せずに部材同士を接合することのできる摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）が公知である。ＦＳＷは、先端に突起のある円筒状の工具を回転させながら、接合させる部材の接合部に突起を貫入させて摩擦熱により部材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで部材同士を接合させる方法である。このようなＦＳＷに関する発明が、例えば特許文献１及び２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／００４３４２９号明細書
【特許文献２】特許第３７３５２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らの鋭意検討の結果、ＦＳＷの原理を用いて、材料を溶融せずに積層造形できることが明らかになった。尚、特許文献１及び２のいずれにも、ＦＳＷの原理を用いて積層造形できることは記載されていない。【０００６】
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、材料を溶融せずに積層造形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】
【０００７】
本開示の少なくとも１つの実施形態に係る積層造形方法は、金属製の母材の表面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形方法であって、前記粉末材料を前記母材の前記表面上に供給するステップと、前記粉末材料及び前記表面を摩擦攪拌して非溶融のまま前記粉末材料を前記表面に接合させるステップと、前記粉末材料が前記表面に接合されて構成された接合部上に前記粉末材料を供給するステップと、前記粉末材料及び前記接合部を摩擦攪拌して非溶融のまま前記粉末材料を前記接合部に接合させるステップとを含む。【０００８】
上記方法によると、金属製の母材の表面に非溶融のまま粉末材料を接合させて接合部を構成した後、接合部に非溶融のまま粉末材料を接合させることができるので、材料を溶融せずに積層造形することができる。【０００９】
いくつかの実施形態では、前記表面に前記粉末材料を接合して前記表面に対して突出する立体形状の積層造形体が積層造形されてもよい。【００１０】
いくつかの実施形態では、前記接合部に前記粉末材料を供給しながら前記粉末材料及び前記接合部を摩擦攪拌して前記粉末材料を前記接合部上に接合させてもよい。【００１１】
いくつかの実施形態では、前記粉末材料を前記表面に接合させるステップの前に、回転可能な回転工具を準備するステップをさらに備えてもよく、前記回転工具は、窪み面が形成された先端面と、前記窪み面によって画定された保持空間と、前記保持空間と前記回転工具の外部とを連通する連通部とを備え、前記連通部を介して前記粉末材料を前記保持空間に流入させながら前記回転工具を回転させることにより摩擦攪拌を行ってもよい。【００１２】
いくつかの実施形態では、前記回転工具を準備するステップの後に、前記回転工具の回転方向に沿って前記回転工具を囲むガイド部材を準備するステップをさらに備えてもよい。【００１３】
いくつかの実施形態では、前記粉末材料を前記母材の前記表面上に供給するステップの前に、前記粉末材料を供給するための供給部材を準備する工程をさらに備えてもよく、前記粉末材料は、前記供給部材によって前記ガイド部材の内部に供給されてもよい。【００１４】
いくつかの実施形態では、前記金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル基合金、鉄系材、チタン合金、銅合金、ステンレス、又はインコネルであってもよい。【００１５】
本開示の少なくとも１つの実施形態に係る積層造形装置は、金属製の積層面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形装置であって、前記積層造形装置は、回転可能な回転工具を備え、前記回転工具は、窪み面が形成された先端面と、前記先端面のうち前記窪み面から最も突出した部分よりも突出するように設けられたピンとを備える。【００１６】
上記構成によると、先端面に形成された窪み面によって画定される保持空間内に粉末材料を保持した状態で粉末材料を摩擦攪拌することができるので、摩擦攪拌されずに回転工具の周囲に散逸してしまう粉末材料を低減し、回転工具が粉末材料を確実に摩擦攪拌することができる。【００１７】
いくつかの実施形態では、前記回転工具は、前記窪み面によって画定された保持空間と前記回転工具の外部とを連通する連通部が形成されてもよい。【００１８】
上記構成によると、積層面上に供給された粉末材料に沿って積層造形装置を移動させる際に粉末材料が連通部を介して保持空間内に入り込むので、粉末材料を保持空間内に導入しやすくすることができる。【００１９】
いくつかの実施形態では、前記先端面には、渦巻き状の渦巻き溝が形成されており、該渦巻き溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記先端面の外周縁に向かう方向に延びてもよい。【００２０】
上記構成によると、回転工具が回転すると、粉末材料は渦巻き溝に沿って先端面の中心に向かって移動するので、保持空間内における粉末材料の攪拌が促進され、粉末材料の摩擦攪拌の効果を高めることができる。【００２１】
いくつかの実施形態では、前記積層面上に前記粉末材料を供給する供給部材をさらに備えてもよい。【００２２】
上記構成によると、積層面上に粉末材料を供給しながら摩擦攪拌することができるので、積層面上に粉末材料を供給した後に摩擦攪拌する場合に比べて効率的に積層造形をすることができる。【００２３】
本開示の少なくとも１つの実施形態に係る積層造形装置は、金属製の積層面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形装置であって、前記積層造形装置は、先端面及び該先端面から突出するピンを有する回転可能な回転工具と、前記回転工具の回転方向に沿って前記回転工具を囲むガイド部材とを備える。【００２４】
上記構成によると、摩擦攪拌されずに回転工具の周囲に散逸してしまう粉末材料をガイド部材によって低減することができるので、回転工具が粉末材料を確実に摩擦攪拌することができる。【００２５】
いくつかの実施形態では、前記回転工具は円柱形状の外表面を有し、該外表面には螺旋状の螺旋溝が形成され、該螺旋溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記先端面から遠ざかる方向に延びてもよい。【００２６】
上記構成によると、ガイド部材の内周面と回転工具の外表面との間にある粉末材料は、回転工具が回転することによって螺旋溝に沿って先端面に向かって移動し、先端面と積層面との間に入り込みやすくなるので、回転工具が粉末材料を確実に摩擦攪拌することができる。【００２７】
いくつかの実施形態では、前記ガイド部材は、前記積層面に面する第１縁部と、該第１縁部に対向する第２縁部とを有し、前記ガイド部材には、前記第１縁部から前記第２縁部に向かって切り欠かれた切欠部が形成されてもよい。【００２８】
上記構成によると、積層造形装置が移動する際に、粉末材料が積層面に接合されて構成された接合部は切欠部を通過するので、ガイド部材の接合部への引っ掛かりを抑制して積層造形装置をスムーズに移動させることができる。【００２９】
いくつかの実施形態では、前記ガイド部材には、冷却流体が流通するための流路が形成されてもよい。【００３０】
上記構成によると、冷却流体によって摩擦攪拌中にガイド部材が冷却されるので、回転工具とガイド部材との間での焼き付きを低減することができる。【００３１】
いくつかの実施形態では、前記ガイド部材の内部に前記粉末材料を供給するための供給部材をさらに備えてもよい。【００３２】
上記構成によると、積層面上に粉末材料を供給しながら摩擦攪拌することができるので、積層面上に粉末材料を供給した後に摩擦攪拌する場合に比べて効率的に積層造形をすることができる。【００３３】
いくつかの実施形態では、前記ピンの外周面にはねじ溝が形成され、該ねじ溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記ピンの基端から先端に向かって延びてもよい。【００３４】
上記構成によると、粉末材料が摩擦攪拌される際に、粉末材料はねじ溝に沿ってピンの先端から基端に向かって移動するので、粉末材料の攪拌が促進され、粉末材料の摩擦攪拌の効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、金属製の母材の表面に非溶融のまま粉末材料を接合させて接合部を構成した後、接合部に非溶融のまま粉末材料を接合させることができるので、材料を溶融せずに積層造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本開示の実施形態１に係る積層造形装置の構成を示す模式図である。
【図２】本開示の実施形態１に係る積層造形装置による積層造形方法を説明するための図である。
【図３】摩擦攪拌によって粉末材料を積層面に接合させるメカニズムを説明するための図である。
【図４】本開示の実施形態２に係る積層造形装置の回転工具の構成を示す断面模式図である。
【図５】本開示の実施形態２に係る積層造形装置の回転工具の底面図である。
【図６】本開示の実施形態２に係る積層造形装置の回転工具を用いた摩擦攪拌によって粉末材料を積層面に接合させるメカニズムを説明するための図である。
【図７】本開示の実施形態２に係る積層造形装置の回転工具の先端面に形成された窪み面の変形例を示す断面図である。
【図８】本開示の実施形態２に係る積層造形装置の回転工具の先端面に形成された窪み面の別の変形例を示す断面図である。
【図９】本開示の実施形態３に係る積層造形装置の構成を示す模式図である。
【図１０】本開示の実施形態２に係る積層造形装置の回転工具の構成を示す正面模式図である。
【図１１】本開示の実施形態２に係る積層造形装置のガイド部材の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００３８】
（実施形態１）
図１に示されるように、実施形態１に係る積層造形装置１は、回転可能に設けられた回転工具２と、金属製の粉末材料９を供給する供給部材である粉末供給ノズル３とを備えている。粉末供給ノズル３は、粉末材料９を貯蔵した貯蔵部４と連通している。貯蔵部４から粉末供給ノズル３への粉末材料９の供給は、粉末材料９の自重を利用してもよいし、図示しないフィーダー等を利用してもよい。
【００３９】
回転工具２は、回転工具２を回転させるための図示しない回転装置が把持するための把持部５と、粉末材料９と接触して粉末材料９を摩擦攪拌する平坦な先端面７を含む摩擦攪拌部６とを有している。先端面７には、先端面７から突出するようにピン８が設けられている。
【００４０】
次に、実施形態１に係る積層造形装置１を用いた積層造形方法について説明する。
実施形態１では、図２に示されるように、積層造形装置１によって、金属製の積層面１０上、すなわち、金属製の母材１１の表面１１ａ上に、粉末材料９が積層造形される。ここで、粉末材料９及び母材１１を構成する金属は同じ金属でも異なる金属でもよく、使用可能な金属としては、アルミニウム、ニッケル基合金、鉄系材を含む一般的な金属である。また、使用可能な金属として、アルミニウム合金、チタン合金、銅合金、ステンレス、又はインコネル等を挙げることもできる。
【００４１】
積層造形装置１による積層造形中、回転工具２は、その回転軸線Ｌを中心に矢印Ａの方向に回転しながら、母材１１の表面１１ａに対して平行に移動する。この移動方向を矢印Ｂで示している。移動方向Ｂにおいて回転工具２の直前に粉末供給ノズル３から表面１１ａ上に粉末材料９が供給される。回転工具２が移動方向Ｂに移動すると、粉末材料９は、表面１１ａと回転工具２の先端面７（図１参照）に挟まれる。回転工具２は、矢印Ａの方向に回転しながら粉末材料９に圧力を加えることで、粉末材料９が摩擦攪拌される。
【００４２】
尚、回転工具２の回転速度及び回転工具２の移動速度（又は粉末供給ノズル３の移動速度と言い換えてもよい）はそれぞれ、使用する金属の種類やその他の条件に応じて適宜変更可能であるが、例えば、母材１１及び粉末材料９がそれぞれアルミニウム合金の場合、回転速度は１５０〜４００ｒｐｍ、より好ましくは２５０〜４００ｒｐｍとすることができ、移動速度は５〜１５インチ／分、より好ましくは７〜１４インチ／分とすることができる。
【００４３】
図３に示されるように、回転工具２が回転するとピン８も回転するので、ピン８は、表面１１ａのうち粉末材料９で覆われた部分に当接しながら回転する。すなわち、ピン８は、表面１１ａのうち粉末材料９で覆われた部分を摩擦攪拌する。そうすると、ピン８と表面１１ａとの当接部分に発生する摩擦熱と圧力とによって、母材１１を構成する金属が塑性流動化する。一方、粉末材料９も先端面７による摩擦攪拌によって塑性流動化する。塑性流動化した母材１１及び粉末材料９の金属同士は混合する。
【００４４】
回転工具２は移動方向Ｂに移動するので、移動方向Ｂにおいて回転工具２の後方側で、塑性流動化した金属は摩擦熱を失って急速に冷却硬化するので、母材１１及び粉末材料９の塑性流動化した金属同士が混合し合って完全に一体化した状態で接合され、表面１１ａ上に接合部１２が形成される。金属が塑性流動化する温度は融点よりもかなり低いので、母材１１と粉末材料９との接合は固相接合の範疇に入る。すなわち、母材１１と粉末材料９との接合は非溶融のまま行われる。このため、接合過程を通して金属への入熱量は小さく、かつ、凝固収縮に伴う応力の発生もないから、接合部１２の近傍の熱歪みによる変形や割れが生じにくくなる。
【００４５】
図２に示されるように、表面１１ａ上に接合部１２を形成後、接合部１２に粉末材料９を供給しながら、先端面７によって粉末材料９を摩擦攪拌しながらピン８（図１参照）によって接合部１２を摩擦攪拌することによって、接合部１２上に粉末材料９が非溶融のまま接合される。尚、接合部１２に粉末材料９が接合される場合、積層面１０は接合部１２の表面１２ａとなる。この動作を繰り返すことによって、任意の立体形状の接合部１２、すなわち積層造形体が表面１１ａ上に形成される。
【００４６】
このように、金属製の粉末材料９及び金属製の積層面１０を摩擦攪拌して非溶融のまま粉末材料９を積層面１０に接合させることができるので、材料を溶融せずに積層造形することができる。
【００４７】
（実施形態２）
次に、実施形態２に係る積層造形装置及び積層造形方法について説明する。実施形態２に係る積層造形装置及び積層造形方法は、実施形態１に対して、回転工具２の構成を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
図４に示されるように、実施形態２では、回転工具２の摩擦攪拌部６の先端面７は、窪み面２０と、窪み面２０を囲むように形成された円環形状の平坦面２１とを含んでいる。窪み面２０によって円錐台形状の保持空間２５が画定されている。また、先端面７にはピン８が設けられている。ピン８の基端８ｂは窪み面２０上に位置し、ピン８の先端８ａは、先端面７のうち窪み面２０から最も突出した部分よりも突出している、すなわち平坦面２１よりも突出している。
【００４９】
実施形態２では必須の構成ではないが、摩擦攪拌部６に、保持空間２５と回転工具２の外部とを連通する連通部２４を形成してもよい。連通部２４は例えば、平坦面２１から回転工具２の長さ方向に沿って切り欠かれたスリット２４ａとすることができる。スリット２４ａの幅、長さ、個数等は任意に決定することができる。また、連通部２４は、摩擦攪拌部６を貫通する貫通孔であってもよい。連通部２４が貫通孔の場合、貫通孔の形状、開口面積、個数等は任意に決定することができる。
【００５０】
実施形態２では必須の構成ではないが、ピン８の外周面８ｃにねじ溝２２を形成してもよい。ねじ溝２２は、回転工具２の回転方向Ａに沿ってピン８の基端８ｂから先端８ａに向かって延びるように形成されることが好ましい。
【００５１】
実施形態２では必須の構成ではないが、図５に示されるように、平坦面２１に、渦巻き状の渦巻き溝２３を形成してもよい。渦巻き溝２３は、回転工具２の回転方向Ａに沿って先端面７の外周縁７ａに向かう方向、言い換えると、実施形態２では平坦面２１の外周縁２１ａに向かう方向に延びるように形成されることが好ましい。渦巻き溝２３は、平坦面２１に渦巻き状に延びる窪みすなわち溝を形成することによって構成することもできるし、平坦面２１から突出するように渦巻き状に延びる部材を取り付けることによって構成することもできる。尚、渦巻き溝２３は、平坦面２１にのみ形成されることに限定するものではなく、平坦面２１から連続的に窪み面２０に形成されてもよい。
その他の構成は実施形態１と同じである。
【００５２】
実施形態２において粉末材料９（図１参照）が積層面１０（図１参照）に接合される原理と、積層造形装置１による積層造形方法の基本的部分とは実施形態１と同じである。そこで、以下では、実施形態２の積層造形装置１のみが有する構成要件に関する動作及びそれから得られる作用効果について説明する。
【００５３】
図６に示されるように、回転工具２が矢印Ａの方向に回転しながら矢印Ｂの方向に移動すると、スリット２４ａは周期的に矢印Ｂの方向に向くことになる。スリット２４ａが矢印Ｂの方向に向いたときに、スリット２４ａを介して粉末材料９（図１参照）が保持空間２５内に入り込むので、粉末材料９を保持空間２５内に導入しやすくすることができる。また、保持空間２５内に導入された粉末材料９を保持することにより、摩擦攪拌されずに回転工具２の周囲に散逸してしまう粉末材料９を低減することができるので、回転工具２が粉末材料９を確実に摩擦攪拌することができる。
【００５４】
図４に示されるように、ピン８の外周面８ｃにねじ溝２２が形成されている場合、回転工具２が矢印Ａの方向に回転すると、保持空間２５内の粉末材料９はねじ溝２２に沿って移動する。ねじ溝２２が、回転工具２の回転方向Ａに沿ってピン８の基端８ｂから先端８ａに向かって延びるように形成されていると、粉末材料９は、ねじ溝２２に沿ってピン８の先端８ａから基端８ｂに向かって移動する。この結果、保持空間２５内における粉末材料９の攪拌が促進され、粉末材料９の摩擦攪拌の効果を高めることができる。
【００５５】
図５に示されるように、平坦面２１には渦巻き溝２３が形成されている場合、回転工具２が矢印Ａの方向に回転すると、渦巻き溝２３に沿って粉末材料９が移動する。渦巻き溝２３が、回転工具２の回転方向Ａに沿って平坦面２１の外周縁２１ａに向かう方向に延びていると、粉末材料９は保持空間２５に向かって移動して保持空間２５内に導入され、保持空間２５内で摩擦攪拌される。渦巻き溝２３が平坦面２１だけではなく平坦面２１から連続的に窪み面２０にも形成されていると、粉末材料９は、保持空間２５内で渦巻き溝２３に沿って先端面７の中心に向かって移動する。その結果、保持空間２５内における粉末材料９の攪拌が促進され、粉末材料９の摩擦攪拌の効果を高めることができる。
【００５６】
このように、実施形態２では、先端面７に形成された保持空間２５内に粉末材料９を保持した状態で粉末材料９を摩擦攪拌することができるので、摩擦攪拌されずに回転工具２の周囲に散逸してしまう粉末材料９を低減し、回転工具２が粉末材料９を確実に摩擦攪拌することができる。
【００５７】
実施形態２では、保持空間２５は円錐台形状を有していたが、この形状に限定するものではない。保持空間２５は、粉末材料９を保持できる形状であればどのような形状でもよく、例えば、図７に示されるような円錐形状や、図８に示されるような円柱形状等であってもよい。
【００５８】
実施形態２では、ピン８の基端８ｂは窪み面２０上に位置していたが、この形態に限定するものではない。ピン８の基端８ｂが平坦面２１上に位置していてもよい。
【００５９】
（実施形態３）
次に、実施形態３に係る積層造形装置及び積層造形方法について説明する。実施形態３に係る積層造形装置及び積層造形方法は、実施形態１に対して、回転工具２をガイド部材で囲むようにしたものである。尚、実施形態３において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
図９に示されるように、実施形態３に係る積層造形装置１は、回転可能に設けられた回転工具２と、回転工具２の回転方向Ａに沿って回転工具２を囲む円筒形状のガイド部材３０と、粉末材料９をガイド部材３０内に供給する粉末供給ノズル３とを備えている。
【００６１】
図１０に示されるように、回転工具２の摩擦攪拌部６は円柱形状の外表面６ｂを有している。実施形態３では必須の構成ではないが、外表面６ｂに螺旋状の螺旋溝３１を形成してもよい。螺旋溝３１は、回転工具２の回転方向Ａに沿って先端面７から遠ざかる方向に延びるように形成されることが好ましい。螺旋溝３１は、外表面６ｂに螺旋状に延びる窪みすなわち溝を形成することによって構成することもできるし、外表面６ｂから突出するように螺旋状に延びる部材を取り付けることによって構成することもできる。
【００６２】
図１１に示されるように、円筒形状のガイド部材３０は、積層面１０（図１参照）に面する第１縁部３０ａと、第１縁部３０ａに対向する第２縁部３０ｂとを有している。実施形態３では必須の構成ではないが、ガイド部材３０に、第１縁部３０ａから第２縁部３０ｂに向かって切り欠かれた切欠部３２を形成してもよい。切欠部３２の幅ｗは、接合部１２（図１参照）の幅よりも大きい必要がある。また、実施形態３では必須の構成ではないが、ガイド部材３０に、冷却水のような冷却流体が流通するための流路３３を形成してもよい。積層造形中、流路３３は、冷却流体の図示しない供給源に連通される。
その他の構成は実施形態１と同じである。
【００６３】
実施形態３において粉末材料９（図１参照）が積層面１０（図１参照）に接合される原理と、積層造形装置１による積層造形方法の基本的部分とは実施形態１と同じである。そこで、以下では、実施形態３の積層造形装置１のみが有する構成要件に関する動作及びそれから得られる作用効果について説明する。
【００６４】
図９に示されるように、実施形態３では、粉末供給ノズル３を介してガイド部材３０内に供給される粉末材料９を回転工具２が摩擦攪拌する。そうすると、摩擦攪拌されずに回転工具２の周囲に散逸してしまう粉末材料９をガイド部材３０によって低減することができるので、回転工具２が粉末材料９を確実に摩擦攪拌することができる。
【００６５】
粉末供給ノズル３を介してガイド部材３０内に供給される粉末材料９の一部は、回転工具２の摩擦攪拌部６の外表面６ｂ（図１０参照）とガイド部材３０の内周面との間に位置する。この状態で回転工具２が矢印Ａの方向に回転すると、外表面６ｂに螺旋溝３１（図１０参照）が形成されている場合、粉末材料９が螺旋溝３１に沿って移動する。螺旋溝３１が、回転工具２の回転方向Ａに沿って先端面７から遠ざかる方向に延びるように形成されていると、粉末材料９は、螺旋溝３１に沿って先端面７に向かって移動する。その結果、粉末材料９が先端面７と積層面１０（図１参照）との間に入り込みやすくなるので、回転工具２が粉末材料９を確実に摩擦攪拌することができる。
【００６６】
また、積層造形装置１による積層造形中に、摩擦熱により粉末材料９及び母材１１（図１参照）の温度が上昇する。図１１に示されるように、冷却流体が流通するための流路３３がガイド部材３０に形成されている場合、摩擦攪拌中に冷却流体によってガイド部材３０が冷却されるので、回転工具２とガイド部材３０との間での焼き付きを低減することができる。
【００６７】
さらに、ガイド部材３０に切欠部３２が形成されていると、積層造形装置１（図９参照）が移動する際に、形成された接合部１２（図２参照）が切欠部３２を通過するので、ガイド部材３０の接合部１２への引っ掛かりを抑制して積層造形装置１をスムーズに移動させることができる。
【００６８】
このように、実施形態３では、摩擦攪拌されずに回転工具２の周囲に散逸してしまう粉末材料９をガイド部材３０によって低減することができるので、回転工具２が粉末材料９を確実に摩擦攪拌することができる。
【００６９】
実施形態１及び３のそれぞれにおいて、ピン８の外周面８ｃに実施形態２のねじ溝２２を形成してもよく、また、先端面７に実施形態２の渦巻き溝２３を形成してもよい。
【００７０】
実施形態１〜３のそれぞれにおいて、積層造形装置１は粉末供給ノズル３を有していなくてもよい。この場合には、積層面１０上に予め粉末材料９を供給した後に、回転工具２で摩擦攪拌を行うことができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  積層造形装置
２  回転工具
３  粉末供給ノズル（供給部材）
４  貯蔵部
５  把持部
６  摩擦攪拌部
６ｂ  （摩擦攪拌部の）外表面
７  先端面
７ａ  （先端面の）外周縁
８  ピン
８ａ  （ピンの）先端
８ｂ  （ピンの）基端
８ｃ  （ピンの）外周面
９  粉末材料
１０  積層面
１１  母材
１１ａ  （母材の）表面
１２  接合部
１２ａ  （接合部）の表面
２０  窪み面
２１  平坦面
２１ａ  （平坦面の）外周縁
２２  ねじ溝
２３  渦巻き溝
２４  連通部
２４ａ  スリット
２５  保持空間
３０  ガイド部材
３０ａ  第１縁部
３０ｂ  第２縁部
３１  螺旋溝
３２  切欠部
３３  流路
【図１】
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【図２】
2019172300.tif 000004
【図３】
2019172300.tif 000005
【図４】
2019172300.tif 000006
【図５】
2019172300.tif 000007
【図６】
2019172300.tif 000008
【図７】
2019172300.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月29日(2020.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の母材の表面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形方法であって、
前記粉末材料を前記母材の前記表面上に供給するステップと、
回転可能な回転工具を回転させながら前記表面に対して平行な方向に沿って移動させることにより、前記粉末材料及び前記表面を摩擦攪拌して非溶融のまま前記粉末材料を前記表面に接合させるステップと、
前記粉末材料が前記表面に接合されて構成された接合部上に前記粉末材料を供給するステップと、
前記回転工具を回転させながら前記表面に対して平行な方向に沿って移動させることにより、前記粉末材料及び前記接合部を摩擦攪拌して非溶融のまま前記粉末材料を前記接合部に接合させるステップと
を含む積層造形方法。
【請求項２】
前記表面に前記粉末材料を接合して前記表面に対して突出する立体形状の積層造形体が積層造形される、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項３】
前記接合部に前記粉末材料を供給しながら前記粉末材料及び前記接合部を摩擦攪拌して前記粉末材料を前記接合部上に接合させる、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項４】
前記回転工具は、
窪み面が形成された先端面と、
前記窪み面によって画定された保持空間と、
前記保持空間と前記回転工具の外部とを連通する連通部と
を備え、
前記連通部を介して前記粉末材料を前記保持空間に流入させながら前記回転工具を回転させることにより摩擦攪拌を行う、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項５】
前記回転工具を準備するステップの後に、前記回転工具の回転方向に沿って前記回転工具を囲むガイド部材を準備するステップをさらに備える、請求項４に記載の積層造形方法。
【請求項６】
前記粉末材料を前記母材の前記表面上に供給するステップの前に、前記粉末材料を供給するための供給部材を準備する工程をさらに備え、
前記粉末材料は、前記供給部材によって前記ガイド部材の内部に供給される、請求項５に記載の積層造形方法。
【請求項７】
前記金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル基合金、鉄系材、チタン合金、銅合金、ステンレス、又はインコネルである、請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項８】
金属製の積層面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形装置であって、
前記積層造形装置は、回転可能な回転工具を備え、
前記回転工具は、
窪み面が形成された先端面と、
前記先端面のうち前記窪み面から最も突出した部分よりも突出するように設けられたピンと
を備え、
前記窪み面から最も突出した部分は前記窪み面を囲むように形成されている積層造形装置。
【請求項９】
前記回転工具は、前記窪み面によって画定された保持空間と前記回転工具の外部とを連通する連通部が形成されている、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１０】
前記先端面には、渦巻き状の渦巻き溝が形成されており、該渦巻き溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記先端面の外周縁に向かう方向に延びている、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１１】
前記積層面上に前記粉末材料を供給する供給部材をさらに備える、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１２】
金属製の積層面上に金属製の粉末材料を積層造形するための積層造形装置であって、
前記積層造形装置は、
先端面及び該先端面から突出するピンを有する回転可能な回転工具と、
前記回転工具の回転方向に沿って前記回転工具を囲むガイド部材と
を備え、
前記回転工具と前記ガイド部材との間には間隔があいている積層造形装置。
【請求項１３】
前記回転工具は円柱形状の外表面を有し、該外表面には螺旋状の螺旋溝が形成され、該螺旋溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記先端面から遠ざかる方向に延びている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記ガイド部材は、前記積層面に面する第１縁部と、該第１縁部に対向する第２縁部とを有し、前記ガイド部材には、前記第１縁部から前記第２縁部に向かって切り欠かれた切欠部が形成されている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記ガイド部材には、冷却流体が流通するための流路が形成されている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記ガイド部材の内部に前記粉末材料を供給するための供給部材をさらに備える、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記ピンの外周面にはねじ溝が形成され、該ねじ溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記ピンの基端から先端に向かって延びている、請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１８】
前記ピンの外周面にはねじ溝が形成され、該ねじ溝は、前記回転工具の回転方向に沿って前記ピンの基端から先端に向かって延びている、請求項１２に記載の積層造形装置。
【請求項１９】
前記回転工具の回転方向に沿って前記回転工具を囲むガイド部材が設けられ、
前記粉末材料を前記表面に接合させるステップ及び前記粉末材料を前記接合部に接合させるステップはそれぞれ、前記ガイド部材を冷却しながら行われる、請求項１に記載の積層造形方法。
【国際調査報告】
2019172300.tif 000014
2019172300.tif 000015
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