(57)【要約】  三次元造形物を作製又は修復する方法であり、少なくとも１つの基材（１５）を供給するステップと、第１の原料粉体層を基材（１５）の上に堆積させるステップと、堆積した原料粉体層の選択エリアに対して、電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）を部位選択的に、作製対象の三次元造形物層の少なくとも一部の幾何学形状に一致する照射パターンに従って照射するステップと、を含み、基材（１５）と基材の上に堆積する原料粉体層との間に金属結合を形成するように照射を制御する。更に、使用及び装置が同じように開示される。
2019535902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的な樹枝状の結晶及び／又は実質的な単結晶を含む微細構造を有する三次元造形物を作製又は修復する方法であって、
−少なくとも１つの実質的な単結晶基材（１５）を供給するステップと、
−第１の原料粉体層を前記単結晶基材（１５）の上に堆積させるステップと、
−堆積した原料粉体層の選択エリアに対して、電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）を部位選択的に、作製対象の前記三次元造形物の層の少なくとも一部の幾何学形状に一致する照射パターンに従って照射するステップと、を含み、
−照射は前記単結晶基材（１５）と該単結晶基材の上に堆積する前記原料粉体層との間に金属結合を形成するように制御され、
前記照射は以下の条件を満たすように制御される、すなわち、
−現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度Ｒｘは以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｘ＞０．３であり、式中でＲｘ＝（（Ｗ−ｄｙ）／Ｗ）の関係があり、Ｗは溶融物貯留幅であり、ｄｙは前記原料粉体層の隣接する照射部位の間の距離である、方法。
【請求項２】
前記第１の原料粉体層に対する照射が完了した後、複数回連続して後続の原料粉体層を堆積させて後続の原料粉体層に対して照射を行なうことにより、前記三次元造形物を積層軸（Ｚ）に沿って連続的に積層させる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
積層軸（Ｚ）に沿った再溶融速度Ｒｚは、以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｚ＞０．３であり、式中でＲｚ＝（（Ｄ−Ｉｚ）／Ｄ）の関係があり、Ｉｚは現在照射を受けている前記原料粉体層の層厚さであり、Ｄは前記照射の結果として発生する溶融物貯留深さである請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
更に、
−前記単結晶基材（１５）の結晶方位を調整して前記積層軸（Ｚ）に一致させるステップを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
更に、
−前記単結晶基材（１５）の結晶方位、及び層に対する照射を行なうと発生する前記三次元造形物の層中の粒子成長方向を調整して互いに一致させるステップを含む請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
以下のパラメータ、
−前記電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）のビームサイズ、焦点ボケ状態、及び／又はビームプロファイル、
−堆積した原料粉体の選択エリアが前記電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）に曝される時間、
−前記照射パターン、
−照射部位を、堆積した原料粉体層を横切って移動させる速度、
−前記単結晶基材（１５）の上に塗布される前記原料粉体層の前記選択エリアに入射する前記電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）のエネルギー、のうちの１つのパラメータを使用して前記照射を制御する請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのパラメータは、後続の前記原料粉体層のうちの少なくとも幾つかの原料粉体層の間で一定である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記照射を、原料粉体の結晶化挙動に応じて制御して前記三次元造形物の単結晶層が形成されるようにする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記単結晶基材（１５）は以下の条件の少なくとも一つを満たす、すなわち、その条件は、
−前記単結晶基材（１５）は、該単結晶基材の上に原料粉体層を堆積させて前記三次元造形物を作製するために利用することができる積層エリアの少なくとも０．１％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、又は１００％をカバーすること、
−前記単結晶基材（１５）は、実質的な平板状の部材として構成されること、例えば矩形平面を画定すること、
−積層軸（Ｚ）に沿った前記単結晶基材（１５）の厚さは、１０００ｍｍ以下、２００ｍｍ以下、１００ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、又は１０ｍｍ以下であること、
−前記単結晶基材（１５）は、例えば修復される必要がある単結晶造形物であること、である請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
更に、既成造形物を前記単結晶基材（１５）から分離して、任意であるが、前記単結晶基材（１５）を別の造形物を作製するために再使用するステップを含む請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
【請求項１１】
更に、堆積した原料粉体層に対する照射を行なって造形物層を作製する前に、堆積した原料粉体層を予備加熱するステップを含む請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
一方向照射パターン又は多方向照射パターンを使用する請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
実質的な樹枝状の結晶及び／又は実質的な単結晶を含む微細構造を有する三次元造形物を作製又は修復する装置（１０）であって、
−少なくとも１つの実質的な単結晶基材（１５）と、
−第１の原料粉体層を前記単結晶基材（１５）の上に堆積させるように構成した粉体塗布装置（１４）と、
−堆積した原料粉体層の選択エリアに対して、電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）を部位選択的に、作製対象の前記三次元造形物の層の幾何学形状に一致する照射パターンに従って照射するように構成した照射装置（２０）と、
−前記単結晶基材（１５）と該単結晶基材の上に堆積する前記原料粉体層との間に金属結合を形成するために、前記照射装置（２０）を制御するように構成された制御ユニット（３８）と、を備え、
前記制御ユニット（３８）は以下の条件を満たすように前記照射装置（２０）を制御する、すなわち、
−現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度Ｒｘは以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｘ＞０．３であり、式中でＲｘ＝（（Ｗ−ｄｙ）／Ｗ）の関係があり、Ｗは溶融物貯留幅であり、ｄｙは前記原料粉体層の隣接する照射部位の間の距離である、装置。
【請求項１４】
積層軸（Ｚ）に沿った再溶融速度Ｒｚは以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｚ＞０．３であり、式中でＲｚ＝（（Ｄ−Ｉｚ）／Ｄ）の関係があり、Ｉｚは現在照射を受けている前記原料粉体層の層厚さであり、Ｄは前記照射の結果として発生する溶融物貯留深さである請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶造形物を、原料粉体層に対して電磁放射線又は粒子放射線を照射することにより作製する方法、使用及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末床溶融結合法は、粉末材料、特に金属原料及び／又はセラミック原料を加工して複雑な形状の三次元造形物とする多層積層法である。そのためには、原料粉体層をキャリア上に塗布し、原料粉体層に対して、作製対象の造形物の所望の幾何学形状に応じて部位選択的にレーザ照射を行なう。レーザ照射が貫通して粉体層の内部に達することにより、原料粉体粒子を加熱し、結果として溶融させる、又は焼結させる。次に、造形物が所望の形状及びサイズを有するようになるまで、別の原料粉体層を、レーザ処理を既に受けているキャリア上の層に連続的に塗布する。粉末床溶融結合法を用いて、例えば歯科用又は整形外科用装具のようなプロトタイプ、工具、交換部品、高付加価値部品、又は医療用装具をＣＡＤデータに基づいて作製することができる。
【０００３】
金属造形物の熱的特性及び機械的特性は通常、造形物の微細構造に強く依存する。例えば、単結晶金属材料、特にステンレス鋼又はＮｉ、Ｃｏ、又はＦｅ基超合金は、優れた機械的特性、化学的特性、及び熱的特性を高温でも示す。したがって、これらの材料は、例えばタービンブレード又はエンジン部品のような大きな機械的負荷及び熱的負荷を受ける部品を製造するために広く使用されている。
【０００４】
特許文献１は、キャリアと、原料粉体をキャリア上に塗布する粉体塗布装置と、電磁放射線又は粒子放射線を、キャリア上に塗布された原料粉体に対して選択的に照射する照射装置と、粉体塗布装置及び照射装置の動作を原料粉体の結晶化挙動に応じて制御して、前記原料粉体により形成される造形物の微細構造を、多層積層方法により調整する制御ユニットと、を備える、三次元造形物を作製する装置を開示している。特に、制御ユニットは、照射装置の照射光源及び／又は光学ユニットを制御して、キャリア上に塗布された原料粉体に対して照射される照射ビーム、又は照射光源の出力のビームサイズ、ビームプロファイル、スキャン速度、及び／又はスキャンパターンを、原料粉体の結晶化挙動に応じて調整して、造形物の微細構造を調整する。これにより、実質的な単結晶を有する、又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造を有する造形物が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１３１４４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、原料粉体層に対して電磁放射線又は粒子放射線を照射することにより高品質の単結晶三次元造形物を生成することができる解決策を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載の方法、請求項１４に記載の使用、及び請求項１５に記載の装置により達成される。
【０００８】
三次元造形物を作製する、又は修復する方法が提案され、方法は、少なくとも１つの基材を供給するステップを含む。基材は、造形物が作製されることになる積層エリアの少なくとも一部を受け持つことができる。積層エリアは、基材がキャリアの上に配置されて原料粉体を基材の上に堆積させることができるキャリアの表面により画定することができる、及び／又は表面に対応することができる。したがって、積層エリアは、作製又は修復することができる造形物の最大断面エリア又は設置面積に対応することができる。
【０００９】
基材は更に、この方法を実行するために使用される装置のキャリアの上に配置することができる。キャリアは、強固に固定されるキャリアとすることができる。しかしながら、好適には、キャリアは、垂直方向に移動可能であり、造形物の形成高さが高くなるにつれて、原料粉体からなる造形物が層状に積層されると、キャリアを下方に垂直方向に移動させることができるように設計される。
【００１０】
以下に詳述するように、基材はこのように、薄板状部材の形態で供給することができる。また、基材は、多層積層法とは異なる、特に選択的レーザ溶融法とは異なる態様で作製されている。これとは異なり、基材は、例えば基材の造形物層の幾つかの造形物層を少なくとも部分的に修復することにより修復される必要がある造形物の形態で供給することができる。この場合、基材は、多層積層法により、特に選択的レーザ溶融法により非常に良好に作製されている。
【００１１】
概括すると、造形物を作製又は生成することは、凝固する造形物を原料粉体から全て作製することに関連することができるのに対し、造形物を修復することは、既に凝固している造形物のうち損壊している選択領域を修復することにのみ関連することができる。
【００１２】
以下に詳述するように、基材は実質的な単結晶基材とすることができる。「実質的な単結晶」という用語は、本出願の状況においては、実際に単結晶である、すなわち粒子境界を全く含まない微細構造に関連することができる。更には、「実質的な単結晶」という表現は、好適な方位を有する粒子の間の粒子境界を持つ微細構造、すなわち粒子境界が互いに略平行に好適な方向に延びている状態の微細構造を含む必要がある。このような微細構造は通常、金属溶融物が一方向に凝固することにより得られる。
【００１３】
方法は更に、第１の原料粉体層を基材の上に堆積させるステップを含む。原料粉体は、金属粉体、特に金属合金粉体であることが好ましいが、セラミック粉体とするか、又は異なる材料を含有する粉体とすることもできる。一般に、基材の材料、及び原料粉体の材料は、同じとすることができる、又は同じ種類（すなわち、金属又はセラミック）に少なくとも属することができる。
【００１４】
粉体は、任意の適切な粒子サイズ又は粒子サイズ分布を有することができる。しかしながら、粒子サイズ＜１００μｍの粉体を加工することが好ましい。堆積は、以下に詳述される粉体塗布装置を使用することにより行なうことができる。堆積した原料粉体層は、基材の表面を、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、又は約１００％被覆することができる。原料粉体層を使用して、原料粉体層からなる造形物のほぼ全ての断面エリアを作製することができる。これとは異なり、例えば修復を行なう場合、層を使用して造形物の断面エリアの一部のみを、例えば該当する造形物層の隙間又は孔を埋めることにより作製する（又は、別の表現では、修復する）ことができる。
【００１５】
方法は更に、堆積した原料粉体層の選択エリアに対して電磁波ビーム又は粒子照射ビームを部位選択的に、三次元造形物層の少なくとも一部の幾何学形状に一致する照射パターンに従って照射するステップを含む。したがって、キャリアの上に塗布される原料粉体を電磁放射線又は粒子放射線に部位選択的に、作製対象又は修復対象の造形物の所望の幾何学形状に応じて曝すことができる。照射は、原料粉体粒子を部位選択的に溶融させる（すなわち、選択的レーザ溶融法を実施する）ように構成することが好ましい。
【００１６】
照射は照射装置により行なうことができる。照射装置は、少なくとも１つの照射光源、特にレーザ光源と、照射光源から放出される照射ビームを誘導する、及び／又は処理する少なくとも１つの光学ユニットと、を備えることができる。照射光源は、約１０７０〜１０８０ｎｍの波長のレーザ光を放出するダイオード励起イッテルビウムファイバレーザを備えることができる。光学ユニットは、対物レンズ、特にｆ−θ対物レンズのような光学素子と、スキャナユニットと、を備えることができ、スキャナユニットは、回折光学素子及び偏向ミラーを備えることが好ましい。例えば、照射装置は、欧州特許出願公開第２３３５８４８（Ａ１）号明細書に記載されている照射装置とすることができる。照射ビームを誘導する場合、光学ユニットは、少なくとも２つの光軸回りに移動可能であることが好ましい光スキャナユニットを備えることができる。照射装置は、シングルレーザダイオードのような複数の照射光源を備えることもでき、これらの照射光源は、アレイ状又はマトリクス状に配置される。これらの照射光源は、一括して制御されて、特定照射パターンを堆積した原料粉体上に生成することができる。独国特許第１０２０１６２１８８８７号明細書（本開示の出願日の時点で未だ公開されていない）から判明する対応する解決策を参照されたい。
【００１７】
三次元造形物を作製する場合、照射パターンは、作製対象の三次元造形物の全断面層に対応していることが好ましい。修復の場合、該当する造形物層の一部又は一部分のみを該当する照射パターンで覆うことができる。
【００１８】
照射を制御して、金属結合を（好適には、単結晶）基材と基材の上に堆積する原料粉体層との間に形成する。金属結合は、原料粉体層の一部が溶融するのみならず、原料粉体が堆積する基材の少なくとも表面、特に薄膜表面層の一部が溶融することにより得られる。例えば、基材の表面層を溶融させることができ、層は、約０．５ｍｍ未満又は０．０５ｍｍ未満の厚さを有する。これにより、共通の溶融物貯留部を基材と原料粉体との間に形成することができる。次に、溶融物貯留部が凝固して金属結合を、好適には所望の単結晶微細構造が形成されている状態で形成することができる。金属結合を形成する場合、照射を制御して、所望の溶融挙動、例えば溶融深さ、又は溶融量を達成することができる。適切な値は、シミュレーション又は実験により、例えば使用する材料、層、又は厚さなどに応じて導出することができる。
【００１９】
本願発明者は、原料粉体層に結合される（好適には、単結晶）基材を使用しているので、溶融した粉体材料を樹枝状に単結晶成長させることができるという知見を得ている。具体的には、基材の結晶構造の方位に沿ってエピタキシャル成長させることができる。したがって、作製される造形物層の単結晶微細構造は、更に確実に実現することができる。
【００２０】
別の実施形態によれば、第１の原料粉体層に対する照射が完了した後、複数回にわたって順次、次の原料粉体層を堆積させて次の原料粉体層に対して照射を行なうことにより、造形物を積層軸に沿って連続的に積層させることができる。別の言い方をすると、順次、原料粉体層を堆積させて原料粉体層に対して照射を行なうことを繰り返して造形物を、選択的レーザ溶融法のような多層積層法に従って作製又は修復することができる。周知の如く、これは、新規の最上部の原料粉体層を直近に照射を受けた原料粉体層の上に常に堆積させ、次に最上部の原料粉体層に対して照射を行なって、最上部の原料粉体層からなる対応する造形物層又は造形物層部分を生成することを含むことができる。造形物はしたがって、該当する一連の造形物層を含むことができ、かつ該当する一連の造形物層により構成することができる。
【００２１】
積層軸は、略垂直な空間方向（普通、Ｚ軸と表記される）に対応することができる。同様に、積層軸は、積層エリア、基材、及び／又は原料粉体層により画定されるエリアに対して略直角に延びることができる。
【００２２】
特に断らない限り、原料粉末層の形成、加工、及び／又は原料粉体層に対する照射に関する説明は、本開示に従って、該当する一連の原料粉体層の少なくとも半分の原料粉体層に当てはめることができる、又は該当する一連の原料粉体層の各原料粉体層に当てはめることもできる。具体的には、このような説明は、造形物を作製又は修復するために使用される原料粉体層の合計層数の少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、又は約１００％に関連させることができる。例えば、照射パラメータを選択する以下の実施例は、造形物を作製又は修復するために使用される該当する一連の原料粉体層の少なくとも半分の原料粉体層に当てはめることができる、又は該当する一連の原料粉体層の各原料粉体層に当てはめることもできる。
【００２３】
方法は更に、（好適には、単結晶）基材の結晶方位を調整して積層軸に略一致させるステップを含むことができる。したがって、基材の結晶方位は、空間内を略垂直に延びる、及び／又は該当するＺ軸に沿って延びることができる。概括すると、原料粉体に対して照射を行なう結果として、これにより、結晶成長が積層軸に沿って行なわれて、それぞれの方向に配向する単結晶造形物層を作製することができる。
【００２４】
更に、又は別の構成として、方法は、（好適には、単結晶）基材の結晶方位、及び層に対して照射を行なうと作製される三次元造形物層中の粒子成長方向を調整して互いに一致させるステップを含むことができる。これは、原料粉体を基材の上に堆積させて原料粉体に対して照射を行なう前に、基材の位置及び／又は向きを調整することにより行なうことができる。この状況では、基材の位置及び／又は向きの選択は、予測される粒子成長方向又は所定の粒子成長方向の影響を受ける可能性があり、この粒子成長方向には、適切な照射パラメータを選択することにより影響を与えることができる。別の構成として、粒子成長方向は、（好適には、単結晶）基材の既知の結晶方位に応じて制御することができる。この場合も同じように、これは、適切な照射パラメータを選択することにより行なうことができる。勿論、基材の結晶方位、並びに粒子成長方向は、造形物の積層軸に略一致させることができる。
【００２５】
別の態様によれば、以下のパラメータ群のうちの少なくとも１つのパラメータを使用して照射を制御する。
−電磁波ビーム又は粒子照射ビームのビームサイズ、焦点ボケ状態、及び／又はビームプロファイル、
−堆積した原料粉体の選択エリアが電磁波ビーム又は粒子照射ビームに曝される時間、
−照射パターン、
−照射部位を堆積した原料粉体層を横切って移動させる速度、
−積層軸に沿い、及び／又は現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度、
−基材上に塗布される原料粉体層の選択エリアに入射する電磁波ビーム又は粒子照射ビームのエネルギー。
【００２６】
上記パラメータを使用して照射を制御することは、これらのパラメータを適切な値に設定すること、及び／又はこれらのパラメータを、照射前に、照射中に、又は照射後に適切に変化させることを含むことができる。
【００２７】
ビームサイズは、具体的には、原料粉体層に作用又は衝突するときのビーム断面積に対するビーム直径又はビーム面積に関連させることができる。一般に、直径又は面積は、制御ユニットにより制御されている状態で増大させて、低い凝固速度又は結晶成長速度と、粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、生成造形物層の実質的な単結晶微細構造が得られる。一般に、本開示によれば、高い温度勾配は、溶融物中に積層軸に対して設定することができる。具体的には、このような温度勾配は、負方向（例えば、負のＺ方向）に積層軸に沿って設定されるようにしてもよい。
【００２８】
好適には、照射光源から放出され、かつ光学ユニットにより処理される照射ビームのビーム直径は、１００μｍ以上に、具体的には５００μｍ以上に、特に７５０μｍ以上に設定して、実質的な単結晶微細構造又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造が生成造形物中に得られるようにする。
【００２９】
焦点ボケ状態は、例えば照射対象とされる必要がある原料粉体層の上側表面までの距離の位置となるように調整することによる照射ビームの理想的な焦点状態から意図的にずらすことに関連させることができる。概して知られている通り、照射ビームは、焦点ボケ状態で原料粉体層に作用又は衝突することにより、例えば原料粉体に入射するエネルギーを低く抑えることができる。
【００３０】
ビームプロファイルは概して、例えばビーム断面と交差する方向の照射ビームの強度プロフアイル又は強度分布に関連させることができる。したがって、ビームプロフアイルは、それ自体既知のトップハット強度プロファイル、ガウス分布プロファイル、又はリング形ドーナツプロファイルを含むことができる。
【００３１】
ビームパラメータを適切に選択することは、ビーム直径を大きくした状態又は意図的に焦点ボケにした小径ビームがガウス分布プロファイルを有する状態のトップハットビームプロファイルを選択することを含むことができる。
【００３２】
照射ビームに曝される時間は、原料粉体及び／又は（好適には、単結晶）基材に入射する所望のエネルギーを実現する、及び／又は原料粉体及び／又は基材の所望の溶融過程を実現するように選択することができる。
【００３３】
照射パターンは、照射される全エリアの形状又は幾何学形状を含む、及び／又は照射部位をエリア内で移動させて照射対象の表面を受け持つ（例えば、照射部位を、表面を横切って延びる特定ベクトルに沿って移動させることにより）方法を含むことができる。このような移動は、照射ビームを、原料粉体を横切って所謂スキャンベクトル又はハッチベクトル（ｈａｔｃｈ  ｖｅｃｔｏｒ）に沿って走査させることにより行なうことができる。同様に、例えばアレイ状又はマトリクス状のレーザＬＥＤ照射光源を使用する場合、これは、隣接する照射光源を連携するように作動させて特定スポットを、原料粉体に連続的に照射することを含むことができる。照射スポットは、特定スキャンベクトル又はハッチベクトルに沿って配置して、次に移動させる場合に、照射部位を、原料粉体を横切ってベクトルに沿って移動させることを再現できるようにする。
【００３４】
照射部位を、堆積した原料粉体層を横切って移動させる速度は、照射ビームを走査させることにより、又は複数の照射光源を連携して作動させることにより行なわれる上記移動のいずれかに関連させることができる。
【００３５】
積層軸に沿った再溶融速度は、前に照射を受けている原料粉体層（及び／又は、好適には、単結晶基材）を、直近に堆積した原料粉体層に対して照射を行なうと再溶融する速度に関連させることができる。別の表現をすると、溶融深さが重要であり、溶融深さでは、直近に堆積した、したがって最上部の原料粉体層の下方の既に作製されている造形物層を再溶融させることができる。したがって、再溶融速度を選択して、積層軸に沿った再溶融深さ、したがって合計溶融物貯留深さを所望の値に設定することができる。
【００３６】
同様に、現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度は、前に既に照射を受けている原料粉体層の再溶融部分に関連させることができる。このような前の照射は、照射部位を、原料粉体層を横切って、例えば特定のスキャンベクトル又はハッチベクトルに沿って移動させることにより行なうことができる。この状況では、再溶融は、照射ビーム直径が、隣接するベクトルに沿って移動するときに互いに重なり合うことにより生じる。更に正確には、照射ビームを隣接するスキャンベクトル又はハッチベクトルに沿って移動させる結果として形成される溶融物貯留部が、現在照射を受けている原料粉体層の平面内で互いに重なり合う可能性がある。この状況では、第１のベクトルに沿って照射移動中に形成される溶融物貯留部は、この場合も同じく、隣接する第２のベクトルに沿って照射移動中に少なくとも部分的に凝固している可能性がある。それにもかかわらず、ビーム直径が重なり合うので、前記溶融物貯留部は、この場合も同じく、隣接する第２のベクトルに沿って照射移動中に少なくとも部分的に再溶融する。
【００３７】
入射エネルギーを更に選択して、所望の溶融速度、温度分布、凝固速度、又は他の溶融関連特性を決定して、結果として得られる既成造形物層の微細構造を制御することができる。
【００３８】
別の態様によれば、照射を制御する少なくとも１つのパラメータは、後続の原料粉体層のうち少なくとも幾つかの原料粉体層の間で略一定である。別の言い方をすると、照射条件は、順次堆積する原料粉体層のうち幾つかの原料粉体層に関して少なくとも略一定に維持され、幾つかの原料粉体層から、一連の造形物層が作製される。勿論、これは、１つよりも多くの照射パラメータを一定に保つことを含むこともできる。前に説明したように、これは、後続の原料粉体層の少なくとも約５０％、約７５％に関連させることができる、又は約１００％に関連させることもできる。照射パラメータを一定に維持することにより、溶融材料中の一定の単結晶成長を、より確実に行なうことができる。
【００３９】
照射を、原料粉体の結晶化挙動に応じて更に制御して、三次元造形物の単結晶層が形成されるようにする。したがって、所望の微細構造、特に単結晶微細構造を有する造形物を製造又は修復する方法を使用することができる。造形物の微細構造をそれに応じて調整することにより、特定の機械的特性、熱的特性、電気的特性、又は化学的特性を有する造形物を製造することができる。例えば、特に高温で高い機械的耐性、化学的耐性、及び耐熱性を持つ造形物が得られる。
【００４０】
一般に、溶融物、特に金属溶融物の結晶化挙動は、例えば所謂ｖ−Ｇ図で説明することができ、凝固速度又は結晶成長速度ｖが、温度勾配Ｇに対して通常、二重対数目盛でプロットされる。ｖ−Ｇ図は、この技術分野で周知の通り、任意の所望の材料について測定又は計算することができ、例えばＭａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｖｏｌ．６５，１９８４，ｐａｇｅｓ７５〜８３に掲載されたＪ．Ｄ．  Ｈｕｎｔによる「Ｓｔｅａｄｙ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｌｕｍｎａｒ  ａｎｄ  Ｅｑｕｉａｘｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ  ａｎｄ  Ｅｕｔｅｃｔｉｃ（樹枝状結晶及び共晶の定常状態柱状成長及び等軸成長）」と題する刊行物に記載されている。ｖ−Ｇ図の内部では、異なるｖ−Ｇ組み合わせ領域は、凝固溶融物の異なる微細構造特性に関連付けられる。例えば、高い凝固速度又は結晶成長速度、及び低い温度勾配により、多結晶球状微細構造が変化するようになるのに対し、低い凝固速度又は結晶成長速度が、温度勾配が高いことによる溶融物の（局所的な）過冷却と組み合わされて、樹枝状結晶及び単結晶が形成されるようになる。この場合も同じように、本開示の状況では、前記温度勾配は概して、積層軸に沿って、特に前記積層軸の負方向（例えば、負のＺ方向）に沿って形成される。
【００４１】
本方法による照射をこのようにして制御して、原料粉体の種類に応じて、粉体に対して電磁波照射又は粒子照射を行なうことにより形成される溶融物中に発生する凝固速度又は結晶成長速度と温度勾配の適切な組み合わせが得られて、所望の微細構造、例えば実質的な樹枝状の結晶及び／又は単結晶を含む一方向凝固微細構造を生成することができる。具体的には、これは、粒子成長方向を三次元造形物層中に生じさせて、（好適には、単結晶）基材の結晶方位に一致させる（例えば、積層軸に沿って配向させることにより）ことを含むことができる。
【００４２】
このようにするために、照射光源又は該当する複数の照射光源の上記照射パラメータ及び又は動作パラメータのみならず、使用可能な光学ユニットのパラメータのいずれかを、原料粉体の結晶化挙動に応じて選択して、多層積層方法により前記原料粉体から形成される造形物の微細構造を調整することができる。別の表現をすると、照射光源（群）及び／又は光学ユニット（群）の動作を制御して、原料粉体の種類、及び／又は基材の種類に応じて、粉体に対して電磁波照射又は粒子照射を行なうことにより形成される溶融物中に発生する凝固速度又は結晶成長速度と温度勾配の適切な組み合わせが得られて、所望の微細構造（好適には、単結晶）を生成することができる。
【００４３】
例えば、照射部位を、原料粉体層を横切って移動させる（すなわち、走査する）速度を減少させて、低い凝固速度又は結晶成長速度及び温度勾配と、粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することができる。これにより、実質的な単結晶の微細構造、又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造が生成造形物中に得られ易くすることができる。好適には、前記速度は１ｍ／ｓ未満に設定することができる。
【００４４】
これに加えて更に、又はこれとは別の構成として、低い凝固速度又は結晶成長速度と、溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、実質的な単結晶の微細構造を、照射部位がハッチに沿って配置されるハッチ間の距離を適切な値に設定することにより形成することができる。別の表現をすると、ハッチ距離（レーザを走査する際の間隔）は、結果として生じる微細構造を所望の通りに制御するパラメータとして使用することができる。好適には、ハッチ距離は、印加する照射ビームの直径よりも小さい値に、及び／又は１ｍｍ未満に設定することができる。
【００４５】
そして、照射光源の出力、特にレーザ光源のレーザ出力を制御して、原料粉体の種類に応じて、粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融物中に発生する凝固速度又は結晶成長速度と温度勾配の適切な組み合わせが得られて、所望の単結晶微細構造を生成することができる。具体的には、照射光源の出力を増大させて、低い凝固速度又は結晶成長速度と、溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、実質的な単結晶の微細構造を生成造形物中に形成することができる。好適には、照射光源の出力は、約１００Ｗよりも大きい値、約５００Ｗよりも大きい値、約１０００Ｗよりも大きい値、又は約２０００Ｗよりも大きい値に設定することができる。
【００４６】
更に、原料粉体層の堆積を制御して、原料粉体の種類に応じて、粉体に対して電磁波照射又は粒子照射を行なうことにより形成される溶融物中に発生する凝固速度又は結晶成長速度と温度勾配の適切な組み合わせが得られて、所望の微細構造を生成することができる。具体的には、原料粉体層の堆積を制御して、堆積した原料粉体層の厚さを、原料粉体の結晶化挙動に応じて調整して、多層積層方法により前記原料粉体から形成される造形物の（好適には、単結晶）微細構造を調整することができる。
【００４７】
例えば、堆積した原料粉体層の厚さは、低い凝固速度又は結晶成長速度と、溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、実質的な単結晶の微細構造、又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造を生成造形物中に形成することが望ましい場合に増加させることができる。好適には、キャリアの上に塗布される原料粉体層の厚さは、３０〜２５０μｍの範囲に設定することができる。
【００４８】
概括すると、造形物を生成するための原料として粉末状で用いられる材料の溶融特性（例えば、合金中の共晶組成物の有無）、結晶構造、及び別の材料特性は、ｖ−Ｇ図に強く影響するので、粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融物中に発生する凝固速度又は結晶成長速度と温度勾配の適切な組み合わせが、造形物中の所望の微細構造、例えば単結晶構造を得るために適している。したがって、所望の微細構造を造形物中に生成するために調整する必要がある原料粉体層の実際の照射パラメータ、材料堆積パラメータ（例えば、原料粉体層の厚さ）、及び／又は使用可能な予備加熱は、原料粉体の種類に応じて非常に大きく変わり得る。
【００４９】
例えば、実質的な単結晶の微細構造又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造を、アルミニウム合金により形成される造形物中に生成するために制御ユニットにより設定される必要がある装置、粉体塗布装置、及び加熱装置の照射パラメータ、予備加熱パラメータ、又は材料堆積パラメータは、実質的な単結晶の微細構造又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造を、鋼材、又はＮｉ系、Ｃｏ系、又はＦｅ基超合金により形成される造形物中に生成するために設定される必要があるパラメータとは大きく異なっていることが容易に考えられる。しかしながら、適切な値の範囲は、当業者が広く実施している通り、本出願の教示に基づいて実験を行なうことにより得られる。
【００５０】
本発明によれば、照射を制御して、積層軸に沿った再溶融速度Ｒｚは、以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｚ＞０．３であり、式中でＲｚ＝（（Ｄ−Ｉｚ）／Ｄ）の関係があり、Ｉｚは現在照射を受けている原料粉体層の層厚さであり、Ｄは照射の結果として発生する溶融物貯留深さである。前に説明したように、再溶融速度は、直近の、したがって最上部の原料粉体層が造形物層の上に堆積している状態の既に形成されている造形物層（及び／又は、好適には、単結晶基材）を少なくとも部分的に溶融させることに関連させることができる。堆積した原料粉体層の層厚さＩｚは、全形成過程又は修復過程を通じて均一とすることができる。溶融物貯留深さＤは、積層軸に沿って測定される深さに関連させることができる、及び／又は原料粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融材料の深さに関係させることができる。
【００５１】
更に、又は別の構成として、照射を制御して、現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度Ｒｘは、以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｘ＞０．３であり、式中でＲｘ＝（（Ｗ−ｄｙ）／Ｗ）の関係があり、Ｗは溶融物貯留幅であり、ｄｙは原料粉体層の隣接する照射部位の間の距離である。溶融物貯留幅Ｗは、現在照射を受けている原料粉体層の平面内で測定することができ、例えば溶融物貯留深さＤに対して略直角に延びている。距離ｄｙは、隣接ベクトルに関係付けしても良いし、又は隣接ベクトルによって定義しても良く、それぞれの照射部位は隣接ベクトルに沿って配置され、ベクトル群は、前に説明したスキャンベクトル又はハッチベクトルを形成する。したがって、第１のベクトルに沿った移動により溶融して凝固している材料は、好適には直ぐ傍で隣接する第２のベクトルに沿った移動により少なくとも部分的に再溶融させることができる。
【００５２】
本願発明者は、再溶融速度に関する上記条件のいずれかが満たされる場合、生成造形物の単結晶微細構造を、より確実に実現することができるという知見を得ている。
【００５３】
別の実施例によれば、基材は以下の条件、すなわち、
−基材は、造形物を作製又は修復するために利用可能な積層エリアの少なくとも約０．１％、少なくとも約１０％、少なくとも約２５％、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、又は約１００％を受け持つこと、
−基材は実質的な平板状部材として構成され、例えば実質的な矩形平面を画定すること、
−積層軸に沿った基材の厚さは、約１０００ｍｍ以下、約２００ｍｍ以下、約１００ｍｍ以下、約５０ｍｍ以下、又は約１０ｍｍ以下であること、
−基材は、例えば修復される必要がある単結晶造形物であること、のうち少なくとも１つの条件を満たす。
【００５４】
基材を平板状部材として供給する場合、平板状部材により画定される平面は、上に説明したキャリア及び／又は積層エリアに略平行に延びるように配置することができる。同じことを、基材上に堆積する原料粉体層に当てはめることができる。
【００５５】
これとは異なり、修復対象の造形物として供給される場合、基材は、より複雑な三次元形状を採ることができ、造形物層を少なくとも部分的に修復する必要がある特定の領域を含むことができる。修復対象の造形物は、原料粉体層を例えば、選択的レーザ溶融法で凝固させることにより形成されている。
【００５６】
方法は更に、既成造形物を基材から分離して、任意であるが、別の造形物を作製するために基材を再使用するステップを含むことができる。基材からの分離は、金属結合を打ち切るために必要である。分離は、造形物と基材との間の境界又は溶融領域を切断するステップを含むことができる。更に、又は別の構成として、機械力を加えて、例えば基材及び造形物を引き離すことができる。薄い基材層のみを造形物に溶融接合させることにより金属結合を生成することができるので、基材は、別の造形物の作製に再使用することができる。別の造形物は、上記方法ステップと同様にして作製することができる。
【００５７】
方法は更に、堆積した原料粉体層に対して照射を行なって造形物層を作製する前に、堆積した原料粉体層を予備加熱するステップを含むことができる。これは、堆積して照射対象となる第１の原料粉体層又は使用可能な一連の別の原料粉体層のいずれかの別の原料粉体層に関連させることができる。予備加熱は、別の予備加熱装置により行なうか、又は原料粉体に対する照射を実際に行なって（原料粉体を溶融させて）造形物層を作製するために使用される同じ照射装置から放出される照射ビームにより行なうことができる。原料粉体の予備加熱温度は、原料粉体の結晶化挙動に応じて選択されて、多層積層方法により前記原料粉体から形成される造形物の微細構造を調整することができる。
【００５８】
別の態様によれば、一方向照射パターンが使用される。これは、該当する一方向照射パターンで照射される第１の原料粉体層又は使用可能な後続の原料粉体層のいずれかに関連させることができる。周知の如く、このような照射パターンは、１つの共通方向にのみの照射エリアを横切る照射部位の移動（例えば、共通方向スキャンベクトル又はハッチベクトルに沿った）を含む。具体的には、方向を維持して堆積造形物層の各堆積造形物層に対する照射を行なうことができる。本願発明者は、これにより、熱を材料の内部に導入する方向が統一されるようになり、これは、単結晶造形物を作製するために有利となり得るという知見を得ている。それにもかかわらず、更に、又は別の構成として、多方向照射パターンを、少なくとも幾つかの原料粉体層に対応して使用し、前記パターン群が、例えば反対方向スキャンベクトル又はハッチベクトルを含むという構成を考えることもできる。
【００５９】
更に、（好適には、単結晶）基材を、原料粉体を基材の上に堆積させる基材として使用することが提案され、前記原料粉体層に対して照射を行なって、三次元造形物を、選択的レーザ溶融法のような多層積層法に従って作製又は修復する。勿論、多層積層法は、単結晶原料粉体層を上に説明した通りに堆積させて、単結晶原料粉体層に対して照射を行なうことを含むことができる。使用は更に、関連する効果、又は動作状態のいずれかを実現する上記特徴、ステップ、又は態様のいずれかを含むことができる。例えば、使用は更に、好適には単結晶基材を、選択的レーザ溶融法のような多層積層法に使用することを含むことができ、（好適には、単結晶）基材の結晶方位は、作製対象又は修復対象の造形物の積層軸に略一致する。
【００６０】
更には、三次元造形物を作製又は修復する装置が提案され、装置は、
−少なくとも１つの基材と、
−第１の原料粉体層を基材の上に堆積させるように構成した粉体塗布装置と、
−堆積した原料粉体層の選択エリアに対して、電磁波ビーム又は粒子照射ビームを部位選択的に、作製対象の三次元造形物層の幾何学形状に一致する照射パターンに従って照射するように構成した照射装置と、
−基材と基材の上に堆積する原料粉体層との間に金属結合を形成するように照射装置を制御する制御ユニットと、を備える。
【００６１】
装置は、前に説明した、又は引き続き説明した特徴、装置、ユニット、又は他の態様のいずれかを含むことができる。これは具体的には、前に説明した、又は引き続き説明した効果、又は動作状態のいずれかを実現するために、又は関連する方法ステップのいずれかを実行するために必要な任意の特徴、装置、又はユニットに関連する。具体的には、基材は単結晶基材とすることができる。
【００６２】
例えば、装置は、基材及び造形物層を、造形物の作製又は修復が完了した後に分離する分離装置を備えることができる。
【００６３】
以下に、本発明の好適な実施形態が添付の概略図面を参照して更に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】三次元造形物を作製する装置を示す図である。
【図２】ｖ−Ｇ図を概略図で示しており、金属溶融物中の凝固速度又は結晶成長速度ｖが溶融物中の温度勾配Ｇに対してプロットされている図である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
図１は、三次元造形物を、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ（登録商標））により作製する装置１０を示している。装置１０は、周囲雰囲気に対して密閉して、不活性ガス雰囲気、例えばアルゴン雰囲気を処理チャンバ１２内に形成することができる処理チャンバ１２を備える。粉体塗布装置１４は、原料粉体を、原料粉体をキャリア１６の上方に放出することにより塗布するように機能する。キャリア１６は垂直方向に移動可能であり、造形物の構造高さが増すにつれて、原料粉体からなる造形物が層状にキャリア１６上に積層すると、キャリア１６を垂直方向に下方に（負のＺ方向に）移動させることができる。
【００６６】
キャリアの上に、単結晶基材１５がキャリア１６と一緒に移動可能に配置される。粉体塗布装置１４は、第１の原料粉体層を基材１５の上に直接堆積させる。次に、別の原料粉体層を前記第１の原料粉体層の上に、既知の多層製造法に従って、特に既知のＳＬＭ法に従って、引き続き堆積させることができる。作製対象の造形物はこのようにして、正の方向に、積層軸を形成する図１の垂直Ｚ軸に沿って積層させることができる。
【００６７】
基材１５は、均一な結晶方位が積層軸に一致することによりＺ軸に沿って延びている状態で供給される。これ以外には、基材１５は図１のＸ−Ｙ平面内で延びており、造形物層を生成するために使用することができる積層エリアの全部を受け持つ。
【００６８】
装置１０は更に、堆積した原料粉体に対してレーザ照射を選択的に行なう照射装置１８を備える。照射装置１８により、堆積した原料粉体に対して、部位選択的に作製対象の造形物の所望の幾何学形状に応じてレーザ照射を施すことができる。照射装置１８は気密封止可能なハウジング２０を有する。例えば、約１０７０〜１０８０ｎｍの波長のレーザ光を放出するダイオード励起イッテルビウムファイバレーザを含むことができるレーザ光源２４から供給されるレーザビーム２２が、ハウジング２０の内部に開口部２６を介して誘導される。
【００６９】
照射装置１８は更に、レーザビーム２２を誘導して処理する光学ユニット２８を備え、光学ユニット２８は、レーザビーム２２を拡大するビームエキスパンダー３０、レーザビーム２２を焦点に集光させる集光レンズ３２、及びスキャナユニット３４のような光学素子を備える。スキャナユニット３４及び集光レンズ３２は、一例として、ガルバノメータースキャナ及びｆ−θ対物レンズの形態で示される。スキャナユニット３４により、レーザビーム２２の位置を変化させることができ、ビームを、堆積した原料粉体層を横切って移動させるように構成することができる。例えば、照射装置１８は、欧州特許出願公開第２３３５８４８（Ａ１）号明細書に記載されているような照射装置とすることができる。
【００７０】
また、装置１０は、レーザビーム２２を原料粉体に対して照射する前に原料粉体を予備加熱する加熱装置３７を備える。
【００７１】
そして、装置１０は、粉体塗布装置１４及び照射装置１８の動作を原料粉体の結晶化挙動に応じて制御して、多層積層方法により前記原料粉体から形成される造形物の微細構造を調整するように構成した制御ユニット３８を備える。金属溶融物の結晶化挙動は、図２に概略図で示されるｖ−Ｇ図で説明することができる。ｖ−Ｇ図では、凝固速度又は結晶成長速度ｖが、温度勾配Ｇに対して、通常は二重対数目盛でプロットされる。ｖ−Ｇ図は、この技術分野で周知の通り、任意の所望の材料について測定又は計算することができる。図２の概略的なｖ−Ｇ図では、曲線Ｃは図の面領域を分離し、高い凝固速度又は結晶成長速度と低い温度勾配が組み合わさると、多結晶球状微細構造が図の面領域から変化するようになり、低い凝固速度又は結晶成長速度と、温度勾配が高いことによる溶融物の（局所的な）過冷却が組み合わさると、樹枝状結晶及び単結晶が形成されるようになる。本実施形態に関して、これらの温度勾配は、特に図１の負のＺ方向の温度勾配に関連している。
【００７２】
したがって、装置１０の制御ユニット３８は、粉体塗布装置１４及び照射装置１８の動作を制御して、原料粉体の種類に応じて、粉体に対してレーザビーム２２を照射することにより形成される溶融物中に発生する凝固速度又は結晶成長速度と温度勾配の適切な組み合わせが得られて、所望の微細構造、特に実質的な樹枝状の結晶及び／又は単結晶を含む一方向に凝固する微細構造を生成するように構成する。
【００７３】
具体的には、制御ユニット３８は、レーザ光源２４及び光学ユニット２８を制御して、レーザ光源２４及び光学ユニット２８の異なる動作パラメータを、原料粉体の結晶化挙動に応じて調整して、多層積層方法により前記原料粉体から形成される造形物の微細構造を調整するように構成する。制御ユニット３８により制御することができるレーザ光源２４及び光学ユニット２８の動作パラメータは、キャリア１６の上に塗布される原料粉体に対して照射されるレーザビーム２２のビームサイズ、特にビーム直径と、キャリア１６の上に塗布される原料粉体に対して照射されるレーザビーム２２のビームプロファイルと、を含む。
【００７４】
例えば、レーザビーム２２のビームサイズは、制御ユニット３８により制御されている状態で増大させて、低い凝固速度又は結晶成長速度と、粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、実質的な単結晶、又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造を生成造形物中に得ることができる。更に、又はこれとは別の構成として、低い凝固速度又は結晶成長速度と、溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、実質的な単結晶又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造が生成造形物中に、レーザビーム２２のビームプロファイルを変えることにより形成されると考えられる。
【００７５】
更に、制御ユニット３８により制御することができるレーザ光源２４及び／又は光学ユニット２８の動作パラメータは、照射部位が堆積した原料粉体を横切って移動する移動速度（現時点では、スキャン速度に対応する）、及び／又はレーザビーム２２の照射パターン又はスキャンパターンを含む。例えば、移動速度は、制御ユニット３８により制御されている状態で設定されて、低い凝固速度又は結晶成長速度と、粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、実質的な単結晶、又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造を生成造形物中に得ることができる。このためには、５０〜５００ｍｍ／ｓの移動速度を選択することができる。更に、又はこれとは別の構成として、低い凝固速度又は結晶成長速度と、溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進すると、レーザビーム２２が粉体表面上をハッチに沿って誘導されるときのハッチの間の距離を設定することにより、実質的な単結晶、又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造が生成造形物中に形成されると考えられる。前記距離は、レーザビーム２２のビーム直径よりも小さくなるように選択することができる、又は一般的な例として、１ｍｍ未満とすることができる。
【００７６】
そして、レーザ光源２４のレーザ出力は、制御ユニット３８により制御されて、原料粉体の種類に応じて、粉体に対して照射を行なうことにより形成される溶融物中に発生する凝固速度又は結晶成長速度と温度勾配の適切な組み合わせが得られて、所望の微細構造を生成することができる。具体的には、レーザ光源２４のレーザ出力は、制御ユニット３８により制御されている状態で増大させて、低い凝固速度又は結晶成長速度と、溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することができることにより、実質的な単結晶又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造が生成造形物中に形成される。
【００７７】
制御ユニット３８は更に、キャリア１６の動作を、粉体塗布装置１４の動作に関連付けて制御して、キャリア１６の上に塗布される原料粉体層の厚さを原料粉体の結晶化挙動に応じて調整して、多層積層方法により前記原料粉体から形成される造形物の微細構造を調整するように構成する。例えば、キャリア１６の動作を制御して、粉体塗布装置１４により堆積する原料粉体層の厚さに対応する所定量だけ負のＺ方向に移動させることができる。具体的には、キャリアの上に塗布される原料粉体層の厚さは、低い凝固速度又は結晶成長速度と、溶融物中の高い温度勾配の組み合わせが発生するのを促進することにより、実質的な単結晶又は一方向／樹枝状に凝固する微細構造が生成造形物中に形成されることが望ましい場合、５０〜２５０μｍの範囲の値に設定することができる。
【００７８】
更に、制御ユニットは、加熱装置３７を制御して、原料粉体の予備加熱温度を原料粉体の結晶化挙動に応じて調整することにより、多層積層方法により前記原料粉体から形成される造形物の微細構造を調整するように構成する。
【００７９】
そして、制御ユニット３８は、上記パラメータのいずれかを制御して、照射されることにより溶融する原料粉体層の粒子成長方向が基材１５の結晶方位に一致するように構成する。本事例では、これは、制御ユニット３８が上記パラメータを設定して粒子成長方向が積層軸に沿って揃うことを意味している。
【００８０】
要するに、単結晶基材１５はこのようにして、造形物層の単結晶微細構造が、基材の上に堆積する原料粉体から形成されるのを促進する。この単結晶微細構造及び関連する粒子成長は、後続の原料粉体層を堆積させて後続の原料粉体層に対して照射を行なう場合に、上記パラメータを制御ユニット３８で適切に設定することにより維持される。
【００８１】
このためには、単結晶基材１５の非常に薄い最上部表面層は、基材１５に最初に直接堆積する原料粉体層に対して照射を行なうと溶融する。このようにして、金属結合が単結晶基材１５の前記表面層と第１の層の溶融粉体材料との間に形成される。基材１５が好適な結晶方位を有するので、溶融粉体材料の微細構造も、この方位に沿ってエピタキシャル成長して、全体的に単結晶の造形物を作製することになる。概括すると、基材１５が該当する単結晶微細構造を有することは必須ではない。しかしながら、これにより、単結晶微細構造を既成造形物層内に非常に効率的に形成することができる。
【実施例】
【００８２】
実施例１
積層軸Ｚに沿って約１０ｍｍの高さを有する、単結晶を主体とする造形物が材料ＩＮ７３８ＬＣから図１の装置を用いて生成されている。この材料は、基材１５及び基材の上に堆積する原料粉体の両方に対応して使用されている。
【００８３】
別の構成として、基材及び粉体材料は互いに異なる化学組成を有することができ、基材は、単結晶であることが好ましい。
【００８４】
造形物をこの粉体材料及び基材に基づいて作製する場合、関連するプロセスパラメータの適切な範囲が特定されている。具体的には、レーザ出力は５００〜１０００Ｗに設定され、スキャン速度は５０〜５００ｍｍ／ｓに設定され、隣接するハッチベクトル間のハッチ距離は、１００〜５００μｍに設定され、堆積した原料粉体の層厚さは１００〜５００μｍに設定されている。
【００８５】
更に、これらのパラメータは、積層軸Ｚに沿った再溶融速度Ｒｚが以下の条件：Ｒｚ＞ ０．３を満たし、かつ現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度Ｒｘが以下の条件：Ｒｘ＞ ０．３を満たすように設定されている。前記再溶融速度は上記の通りに導出される。
【００８６】
更に、良好な結果が、再溶融速度のうち１つの再溶融速度をこのようにして設定するだけでも達成されることが分かっている。
【００８７】
概括すると、この実施例によれば、単結晶造形物が、（好適には、単結晶）基材１５を使用しながら、品質を向上させて、信頼性をより高くして作製されている。
【図１】
2019535902.tif 000003
【図２】
2019535902.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月22日(2018.11.22)
【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】
実質的な単結晶微細構造を有する三次元金属造形物を作製又は修復する方法であって、
−少なくとも１つの実質的な単結晶基材（１５）を供給するステップと、
−第１の金属原料粉体層を前記単結晶基材（１５）の上に堆積させるステップと、
−堆積した原料粉体層の選択エリアに対して、電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）を部位選択的に、作製対象の前記三次元造形物の層の少なくとも一部の幾何学形状に一致する照射パターンに従って照射するステップと、を含み、
−照射は前記単結晶基材（１５）と該単結晶基材の上に堆積する前記原料粉体層との間に金属結合を形成するように制御され、
前記照射は以下の条件を満たすように制御される、すなわち、
−現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度Ｒｘは以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｘ＞０．３であり、式中でＲｘ＝（（Ｗ−ｄｙ）／Ｗ）の関係があり、Ｗは溶融物貯留幅であり、ｄｙは前記原料粉体層の隣接する照射部位の間の距離であり、距離ｄｙは隣接スキャンベクトルによって定義され、それぞれの照射部位は前記隣接スキャンベクトルに沿って配置される、方法。
【請求項２】
前記第１の原料粉体層に対する照射が完了した後、複数回連続して後続の原料粉体層を堆積させて後続の原料粉体層に対して照射を行なうことにより、前記三次元造形物を積層軸（Ｚ）に沿って連続的に積層させる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
積層軸（Ｚ）に沿った再溶融速度Ｒｚは、以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｚ＞０．３であり、式中でＲｚ＝（（Ｄ−Ｉｚ）／Ｄ）の関係があり、Ｉｚは現在照射を受けている前記原料粉体層の層厚さであり、Ｄは前記照射の結果として発生する溶融物貯留深さである請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
更に、
−前記単結晶基材（１５）の結晶方位を調整して前記積層軸（Ｚ）に一致させるステップを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
更に、
−前記単結晶基材（１５）の結晶方位、及び層に対する照射を行なうと発生する前記三次元造形物の層中の粒子成長方向を調整して互いに一致させるステップを含む請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
以下のパラメータ、
−前記電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）のビームサイズ、焦点ボケ状態、及び／又はビームプロファイル、
−堆積した原料粉体の選択エリアが前記電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）に曝される時間、
−前記照射パターン、
−照射部位を、堆積した原料粉体層を横切って移動させる速度、
−前記単結晶基材（１５）の上に塗布される前記原料粉体層の前記選択エリアに入射する前記電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）のエネルギーのうちの少なくとも１つのパラメータを使用して前記照射を制御する請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのパラメータは、後続の前記原料粉体層のうちの少なくとも幾つかの原料粉体層の間で一定である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記照射を、原料粉体の結晶化挙動に応じて制御して前記三次元造形物の単結晶層が形成されるようにする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記単結晶基材（１５）は以下の条件の少なくとも一つを満たす、すなわち、その条件は、
−前記単結晶基材（１５）は、該単結晶基材の上に原料粉体層を堆積させて前記三次元造形物を作製するために利用することができる積層エリアの少なくとも０．１％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、又は１００％をカバーすること、
−前記単結晶基材（１５）は、実質的な平板状の部材として構成されること、例えば矩形平面を画定すること、
−積層軸（Ｚ）に沿った前記単結晶基材（１５）の厚さは、１０００ｍｍ以下、２００ｍｍ以下、１００ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、又は１０ｍｍ以下であること、
−前記単結晶基材（１５）は、例えば修復される必要がある単結晶造形物であること、である請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
更に、既成造形物を前記単結晶基材（１５）から分離して、任意であるが、前記単結晶基材（１５）を別の造形物を作製するために再使用するステップを含む請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
【請求項１１】
更に、堆積した原料粉体層に対する照射を行なって造形物層を作製する前に、堆積した原料粉体層を予備加熱するステップを含む請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
一方向照射パターン又は多方向照射パターンを使用する請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
実質的な単結晶微細構造を有する三次元金属造形物を作製又は修復する装置（１０）であって、
−少なくとも１つの実質的な単結晶基材（１５）と、
−第１の金属原料粉体層を前記単結晶基材（１５）の上に堆積させるように構成した粉体塗布装置（１４）と、
−堆積した原料粉体層の選択エリアに対して、電磁波ビーム又は粒子照射ビーム（２２）を部位選択的に、作製対象の前記三次元造形物の層の幾何学形状に一致する照射パターンに従って照射するように構成した照射装置（２０）と、
−前記単結晶基材（１５）と該単結晶基材の上に堆積する前記原料粉体層との間に金属結合を形成するために、前記照射装置（２０）を制御するように構成された制御ユニット（３８）と、を備え、
前記制御ユニット（３８）は以下の条件を満たすように前記照射装置（２０）を制御する、すなわち、
−現在照射を受けている原料粉体層の平面内の再溶融速度Ｒｘは以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｘ＞０．３であり、式中でＲｘ＝（（Ｗ−ｄｙ）／Ｗ）の関係があり、Ｗは溶融物貯留幅であり、ｄｙは前記原料粉体層の隣接する照射部位の間の距離であり、距離ｄｙは隣接スキャンベクトルによって定義され、それぞれの照射部位は前記隣接スキャンベクトルに沿って配置される、装置。
【請求項１４】
積層軸（Ｚ）に沿った再溶融速度Ｒｚは以下の条件を満たす、すなわち、Ｒｚ＞０．３であり、式中でＲｚ＝（（Ｄ−Ｉｚ）／Ｄ）の関係があり、Ｉｚは現在照射を受けている前記原料粉体層の層厚さであり、Ｄは前記照射の結果として発生する溶融物貯留深さである請求項１３に記載の装置。
【国際調査報告】
2019535902.tif 000005
2019535902.tif 000006
2019535902.tif 000007