(57)【要約】【課題】相対密度が高く、スパッタの混入が抑制された高強度で高品質な造形物の製造装置、及び製造方法を提供する。【解決手段】造形物の製造装置１００は、金属粉末供給装置２０と、照射範囲Ａｒ１に供給された金属粉末１５の表面に造形光ビームＬ１を照射する造形光ビーム照射装置３０と、造形光ビーム照射装置３０を制御して金属粉末１５を加熱し焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう造形部７０と、を備える。そして、造形部７０は、所定幅αを有する造形経路Ｈに沿って金属粉末１５を固化し、造形部７０は、造形経路Ｈに沿って造形光ビームＬ１を照射する際に、造形光ビームＬ１を造形経路Ｈの主方向Ｍに移動させると共に、造形経路Ｈにおいて直前の加熱による熱影響が残っている領域Ａｒ２内で造形光ビームＬ１を幅方向Ｊに往復動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形光ビームの照射により金属粉末を焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形物の製造装置であって、
前記金属粉末を前記造形光ビームの照射範囲に供給する金属粉末供給装置と、
前記照射範囲に供給された前記金属粉末の表面に前記造形光ビームを照射する造形光ビーム照射装置と、
前記造形光ビーム照射装置を制御して前記金属粉末を加熱し前記焼結又は前記溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう造形部と、
を備え、
前記造形部は、所定幅を有する造形経路に沿って前記金属粉末を固化し、
前記造形部は、前記造形経路に沿って前記造形光ビームを照射する際に、前記造形光ビームを前記造形経路の主方向に移動させると共に、前記造形経路において直前の加熱による熱影響が残っている領域内で前記造形光ビームを幅方向に往復動させる、造形物の製造装置。
【請求項２】
前記造形経路の前記所定幅内で往復動する前記造形光ビームは、
一往復動する間に、前記造形経路の前記主方向に移動する、請求項１に記載の造形物の製造装置。
【請求項３】
前記造形光ビームの照射において、
前記造形経路の前記主方向における見かけ上の平均移動速度である第一平均移動速度は、前記造形経路の前記幅方向における前記往復動の実際の平均移動速度である第二平均移動速度よりも小さい、請求項１又は２に記載の造形物の製造装置。
【請求項４】
前記往復動する前記造形光ビームの照射軌跡Ｔは螺旋状である、請求項１−３の何れか１項に記載の造形物の製造装置。
【請求項５】
前記往復動する前記造形光ビームの照射軌跡Ｔは矩形状である、請求項１−３の何れか１項に記載の造形物の製造装置。
【請求項６】
前記往復動する前記造形光ビームの照射軌跡Ｔは鋸歯状である、請求項１−３の何れか１項に記載の造形物の製造装置。
【請求項７】
前記造形部が前記造形経路に沿って前記造形光ビームを照射する際、照射された前記金属粉末が溶融し、溶融後に蒸発した蒸発量を検出する蒸発検出センサと、
前記蒸発検出センサが検出した前記蒸発量に基づき前記造形光ビーム照射装置が照射する前記造形光ビームの出力を制御する出力演算制御部と、を備える、請求項１−６の何れか１項に記載の造形物の製造装置。
【請求項８】
造形光ビームの照射により金属粉末を焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形物の製造方法であって、
前記金属粉末を前記造形光ビームの照射範囲に供給する金属粉末供給工程と、
前記造形光ビームを照射して前記金属粉末を加熱し前記焼結又は前記溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう造形工程と、
を備え、
前記造形工程は、
所定幅を有する造形経路に沿って前記金属粉末を固化し、
前記造形経路に沿って前記造形光ビームを照射する際に、前記造形光ビームを前記造形経路の主方向に移動させると共に、前記造形経路において直前の加熱による熱影響が残っている領域内で前記造形光ビームを幅方向に往復動させる、造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用い金属粉末を原料として積層造形物を製造する製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、粉末状の金属をレーザ光の照射によって焼結又は溶融して固化させ、一層ずつ層状に積層して立体的な造形物を製造する、例えば，特許文献１に示すような金属ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕａｒｉｎｇ）の開発が盛んになってきている。このような金属ＡＭでは、固化させた造形物の強度を確保するため、造形物の密度（相対密度）を向上させ、使用される金属の本来の密度（真密度）に出来る限り近づくようにする必要がある。通常、金属ＡＭによる造形物の相対密度を向上させるためには、照射するレーザ光のエネルギー密度を増加させることが有効であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１９９１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、照射軌跡が直線状となるようレーザ光を照射している。通常、照射軌跡が直線となるようレーザ光を照射する場合、パワー密度が、レーザ光の照射スポットの中心位置で最大となる。このため、エネルギー密度を増加させ、造形物の相対密度を向上させようとしてレーザ光出力を上げると、これに伴い照射スポットの中心位置におけるパワー密度が高くなりすぎ、金属が溶融を超え、蒸発してしまう虞がある。この場合、金属が蒸発した際の蒸発反力によって、溶融金属がスパッタとして周囲に飛散する虞がある。このスパッタが不純物として造形物に混入されると、造形物としての品質が低下してしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、相対密度が高く、スパッタの混入が抑制された高強度で高品質な造形物の製造装置、及び製造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】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る製造装置は、造形光ビームの照射により金属粉末を焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形物の製造装置である。製造装置は、前記金属粉末を前記造形光ビームの照射範囲に供給する金属粉末供給装置と、前記照射範囲に供給された前記金属粉末の表面に前記造形光ビームを照射する造形光ビーム照射装置と、前記造形光ビーム照射装置を制御して前記金属粉末を加熱し前記焼結又は前記溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう造形部と、を備える。そして、前記造形部は、所定幅を有する造形経路に沿って前記金属粉末を固化し、前記造形経路に沿って前記造形光ビームを照射する際に、前記造形光ビームを前記造形経路の主方向に移動させると共に、前記造形経路において直前の加熱による熱影響が残っている領域内で前記造形光ビームを幅方向に往復動させる。
【０００７】
これにより、例えば、造形光ビームの照射が、見かけ上、従来技術と同様の移動速度で造形経路に沿って移動させたとしても、その移動は、造形経路の所定幅内において微小な往復動をしながらの移動である。このため、往復動における実際の造形光ビームの移動速度は十分大きくすることが出来る。従って、往復動において過大なパワー密度の発生を抑制しながら、全体として十分なエネルギー密度を確保することが出来る。これにより、照射された部分の金属が蒸発し、溶融金属がスパッタとして周囲に飛散することを防止できるとともに、造形物の密度（相対密度）を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明の請求項８に係る製造方法は、造形光ビームの照射により金属粉末を焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形物の製造方法である。製造方法は、前記金属粉末を前記造形光ビームの照射範囲に供給する金属粉末供給工程と、前記造形光ビーム照射装置を制御して前記金属粉末を加熱し前記焼結又は前記溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう造形工程と、を備える。そして、前記造形工程は、所定幅を有する造形経路に沿って前記金属粉末を固化し、前記造形経路に沿って前記造形光ビームを照射する際に、前記造形光ビームを前記造形経路の主方向に移動させると共に、前記造形経路において直前の加熱による熱影響が残っている領域内で前記造形光ビームを幅方向に往復動させる。これにより、請求項１で製造される造形物と同様の造形物が製作できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一実施形態に係る製造装置の概要図である。
【図２】図１における金属粉末供給装置の上面図である。
【図３】金属粉末の薄膜層の拡大平面図である。
【図４】図１における造形光ビーム照射装置の部分透視図である。
【図５】造形経路及び照射軌跡を説明する図である。
【図６】図５の照射軌跡のみを取り出した図である。
【図７】従来技術におけるレーザ光照射部でのパワー密度を示すグラフである。
【図８】第一実施形態に係る造形経路でのパワー密度を示すグラフである。
【図９】第一実施形態に係る製造方法のフローチャートである。
【図１０】第二実施形態に係る製造装置の概要図である。
【図１１】変形例１の照射軌跡を説明する図である。
【図１２】変形例２の照射軌跡を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜１．第一実施形態＞
（１−１．概要）
本発明に係る三次元造形物（造形物に相当）の製造装置について、図面に基づき説明する。本発明に係る製造装置は、後に詳述する造形光ビームの照射により、金属粉末を焼結又は溶融によって固化させ三次元造形物を積層造形する装置である。なお、本実施形態においては、造形光ビームは、レーザ光とし、特に赤外波長（後に詳述する）のレーザ光とする。以降、本実施形態に係る赤外波長のレーザ光を赤外レーザ光Ｌ１と称す。
【００１１】
ただし、赤外波長のレーザ光としては、近赤外波長のレーザ光，短波長のレーザ光及び中遠赤外波長のレーザ光等、どのような波長のレーザ光を用いてもよい。なお、短波長レーザ光とは、近赤外波長より波長が短い短波長（例えば、波長０．２〜０．６μｍ）のレーザ光である。短波長レーザの例として、ＵＶレーザ、グリーンレーザ、及びブルーレーザ等が挙げられる。また、中遠赤外波長レーザ光とは、近赤外波長より波長が長いレーザ光である。中遠赤外波長レーザ光の例として、ＣＯ２レーザが挙げられる。また、造形光ビームとしては、レーザ光に限らず電子ビームであってもよい。
【００１２】
また、金属粉末を形成する金属としては、どのような金属を用いてもよいが、例えば、マルエージング鋼，ステンレス鋼（ＳＵＳ），チタン鋼（Ｔｉ），銅，及びアルミなどが適用できる。また、本実施形態においては、三次元造形物を積層造形する際、金属粉末を溶融させた後、固化させ積層造形するものとして説明する。ただし、溶融ではなく、焼結によって、固化させ積層造形し三次元造形物を製造してもよい。
【００１３】
（１−２．製造装置）
図１は、本発明に係る第一実施形態の製造装置１００の概要図である。製造装置１００は、チャンバ１０と、金属粉末供給装置２０と、造形光ビーム照射装置３０と、制御部４５と、を備える。制御部４５は、金属粉末供給制御部２５と、レーザ光照射制御部４９と、造形部７０とを備える。
【００１４】
チャンバ１０は、概ね直方体形状で形成された筐体であり、外気と内気との遮断が可能な容器である。チャンバ１０は、内部の空気を、例えばＨｅ（ヘリウム）、Ｎ２（窒素）やＡｒ（アルゴン）などの不活性ガスに置換可能な装置を備える（不図示）。なお、チャンバ１０は、内部を不活性ガスに置換するのではなく、減圧可能な構成としてもよい。
【００１５】
金属粉末供給装置２０は、チャンバ１０の内部に設けられる。金属粉末供給装置２０は、制御部４５の金属粉末供給制御部２５によって制御され、三次元造形物の原材料となる金属粉末１５を赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビームに相当）の照射範囲Ａｒ１（図２参照）に供給する。金属粉末１５は、例えば、チタン鋼（Ｔｉ）の粉末である。なお、ここでいう金属粉末１５とは、各チタン鋼粉末ＴｉＭが複数集まった集合体をいう。また、金属粉末１５（チタン鋼粉末ＴｉＭ）の各粒径は、約１０μｍ〜５０μｍ程度である。
【００１６】
図１、図２に示すように、金属粉末供給装置２０は、造形用容器２１と、粉末収納容器２２とを備える。図１に示すように、造形用容器２１内には、造形物昇降テーブル２３が設けられる。造形物昇降テーブル２３上では、金属粉末１５の薄膜層１５ａが形成される。薄膜層１５ａは、平面視においては、図３の拡大図に示すように、各チタン鋼粉末ＴｉＭが、隣接するチタン鋼粉末ＴｉＭとそれぞれ接して配列されている。また、深さ方向において、薄膜層１５ａは、チタン鋼粉末ＴｉＭが、例えば１〜２層程度で形成される（図略）。そして、赤外レーザ光Ｌ１の薄膜層１５ａの表面への照射によって薄膜層１５ａの１〜２層の金属粉末１５が溶融され、その後固化されて固化薄膜層１５ｂが形成される。
【００１７】
固化薄膜層１５ｂが形成されると、金属粉末供給装置２０は、金属粉末供給制御部２５によって制御され、造形物昇降テーブル２３が下方に移動される。そして、上記と同様に、造形物昇降テーブル２３上で再び薄膜層１５ａが形成される。その後、再び赤外レーザ光Ｌ１の薄膜層１５ａへの照射によって薄膜層１５ａが溶融され、固化されて固化薄膜層１５ｂが形成される。このような作業の繰り返しによって所望の三次元造形物が積層される。
【００１８】
粉末収納容器２２は、フィードテーブル２４上に金属粉末１５が収容され、フィードテーブル２４が上方に移動されることにより、金属粉末１５が供給される。なお、造形物昇降テーブル２３、フィードテーブル２４には、それぞれ支持軸２３ａ、２４ａが取り付けられる。支持軸２３ａ、２４ａは、駆動装置（図略）に接続され、駆動装置の作動によって上下に移動される。
【００１９】
また、金属粉末供給装置２０には、造形用容器２１、及び粉末収納容器２２の開口の全領域にわたって移動するリコータ２６が設けられる。リコータ２６は、図１、図２の右から左に向かって移動される。これにより、フィードテーブル２４の上昇により供給された金属粉末１５が造形物昇降テーブル２３上に運搬されるとともに、造形物昇降テーブル２３上に金属粉末１５の薄膜層１５ａが形成される。
【００２０】
このとき、薄膜層１５ａの厚さは、造形物昇降テーブル２３の下降量で決まる。本実施形態では、薄膜層１５ａの厚さは、５０μｍ〜１００μｍ程度である。ただし、この厚さはあくまで一例を例示したのみであり、この厚さに限定はされない。なお、薄膜層１５ａを形成する方式は、上記の態様には限らない。薄膜層１５ａは、造形物昇降テーブル２３上方を移動しながら金属粉末１５を造形物昇降テーブル２３上に落下させて供給し形成しても良い。
【００２１】
造形光ビーム照射装置３０は、金属粉末供給装置２０によって照射範囲Ａｒ１（図２参照）に供給されたチャンバ１０内の金属粉末１５の薄膜層１５ａの表面に赤外レーザ光Ｌ１を照射する装置である。造形光ビーム照射装置３０は、制御部４５のレーザ光照射制御部４９によって制御される。図１に示すように、造形光ビーム照射装置３０は、レーザ発振器３１、及びレーザヘッド３２を備える。また、レーザ発振器３１は、レーザ発振器３１から発振された赤外レーザ光Ｌ１をレーザヘッド３２に伝送する光ファイバ３５を備える。
【００２２】
レーザ発振器３１は、波長が予め設定された所定の赤外波長となるよう発振させて連続波ＣＷのレーザ光である赤外レーザ光Ｌ１を生成する。具体的には、赤外レーザ光Ｌ１として、ＨｏＹＡＧ（波長：約１．５μｍ），ＹＶＯ（イットリウム・バナデイト、波長：約１．０６μｍ），Ｙｂ（イッテルビウム、波長：約１．０９μｍ），ファイバーレーザ，及びＣＯ２レーザ（波長：約１０．６μｍ）などが採用可能である。これにより、レーザ発振器３１を安価に製作できるとともに、運用時においても消費エネルギーは小さく安価である。
【００２３】
図１に示すように、レーザヘッド３２は、チャンバ１０内の金属粉末１５の薄膜層１５ａの表面から所定の距離を隔て、且つ軸線が垂直となるよう配置される。図４に示すように、レーザヘッド３２は、コリメートレンズ３３、ミラー３４、ガルバノスキャナ３６、及びｆθレンズ３８を備える。コリメートレンズ３３、ミラー３４、ガルバノスキャナ３６、及びｆθレンズ３８は、レーザヘッド３２の筐体内に配置される。コリメートレンズ３３は、光ファイバ３５から出射された赤外レーザ光Ｌ１をコリメートして平行光に変換する。
【００２４】
ミラー３４は、コリメートされた赤外レーザ光Ｌ１が、ガルバノスキャナ３６に入射するよう赤外レーザ光Ｌ１の進行方向を変換する。本実施形態において、ミラー３４は、赤外レーザ光Ｌ１の進行方向を９０度変換する。
【００２５】
ガルバノスキャナ３６は、レーザ光Ｌの進行方向を変更し、赤外レーザ光Ｌ１を、ｆθレンズ３８を介して、薄膜層１５ａの表面の所定の位置に照射する。つまり、レーザヘッド３２は、ガルバノスキャナ３６によって、レーザ発振器３１から発振された赤外レーザ光Ｌ１の照射角度を自在に変更可能である。
【００２６】
ガルバノスキャナ３６には、例えば、直交する２方向に首ふり運動の可能な一対の可動ミラー（図示しない）を含む周知のスキャナが用いられる。ｆθレンズ３８は、ガルバノスキャナ３６から入射された平行なレーザ光Ｌを集光するレンズである。また、レーザヘッド３２から照射された赤外レーザ光Ｌ１は、チャンバ１０の上面に設けられる透明なガラス又は樹脂を通してチャンバ１０内に照射される。なお、上記において、使用した赤外レーザ光Ｌ１は、ＹＡＧレーザによるものであり、連続波ＣＷのレーザ光である。
【００２７】
造形部７０は、レーザ光照射制御部４９を介して、造形光ビーム照射装置３０の作動を制御する。造形部７０は、造形光ビーム照射装置３０を作動させ、赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）を、照射範囲Ａｒ１に供給された金属粉末１５の薄膜層１５ａの表面に設定される造形経路Ｈに沿って照射する。このとき、薄膜層１５ａの表面における赤外レーザ光Ｌ１のスポット径φｄ（図略）は、例えばφ５０μｍ程度とする。ただし、これはあくまで一例であって、スポット径φｄは、任意に設定すればよい。
【００２８】
そして、赤外レーザ光Ｌ１を、造形経路Ｈの主方向Ｍに沿って照射し金属粉末１５の薄膜層１５ａを溶融させた後、固化させる。このように、造形部７０が、造形経路Ｈに沿って赤外レーザ光Ｌ１を照射し三次元造形物を製作することにより、製造される三次元造形物を高品質で、且つ高強度なものとする。詳細については後に詳述する。
【００２９】
（１−３．造形経路Ｈについて）
次に、設定される造形経路Ｈについて説明する。図５に示すように、造形経路Ｈは、幅方向Ｊと交差する方向である主方向Ｍに延在する。造形経路Ｈは、概ね、薄膜層１５ａにおいて整列されたチタン鋼粉末ＴｉＭに沿って設定される。具体的には、図５の平面視において、造形経路Ｈは、整列した各チタン鋼粉末ＴｉＭの各中心を結ぶ線を造形経路中心Ｃとするとともに、所定幅αを有して設定される。なお、造形経路Ｈは、赤外レーザ光Ｌ１が、後述する照射軌跡Ｔに沿って移動する際における、照射スポットの中心点（照射中心）の移動を網羅する範囲として設定される経路であり、本実施形態においては、長方形形状で設定される。
【００３０】
本実施形態において、所定幅αの大きさは、例えば、１００μｍとする。このとき、所定幅αは、造形経路Ｈが設定される各チタン鋼粉末ＴｉＭが造形経路Ｈの幅方向両側で隣接する各チタン鋼粉末ＴｉＭとの接点間より大きな距離とする。つまり、本実施形態において、造形経路Ｈの幅方向Ｊにおける両端は、隣接する各チタン鋼粉末ＴｉＭに進入している。ただし、１００μｍはあくまで一例であって、所定幅αの大きさは任意に設定すればよい。
【００３１】
そして、造形部７０の制御によって、赤外レーザ光Ｌ１が、造形経路Ｈの主方向Ｍに移動すると共に、造形経路Ｈの幅方向Ｊの範囲内において、直前の加熱による熱影響が残っている領域Ａｒ２内を往復動するよう制御される。つまり、直前の加熱による熱影響が残っている領域Ａｒ２内を往復動可能なように、微小な距離を往復動する。このときの赤外レーザ光Ｌ１の照射の軌跡を照射軌跡Ｔと称して、以後説明する。照射軌跡Ｔは、予め設定され造形部７０に記憶されている。また、図５におけるＭ１−Ｍ３は、この順番に赤外レーザ光Ｌ１の照射が行われることを示している。
【００３２】
なお、上記において、「直前の加熱」とは、現在、赤外レーザ光Ｌ１の往復動が実施されているとした場合、実施されている往復動の１つ前の往復動による加熱のことをいうものとする。ただし、この態様には限らず、「直前の加熱」は、予め設定した所定の時間だけ前に行なった加熱であってもよい。このとき、所定の時間は、幅を有していても良いし、点であっても良い。また、領域Ａｒ２の範囲は、実験等により事前に設定され、設定された領域Ａｒ２の範囲に基づき往復動の軌跡（照射軌跡Ｔ）の形状が設定される。なお、図５に示す領域Ａｒ２の範囲は、赤外レーザ光Ｌ１が、後述する螺旋状の照射軌跡ＴのＰ１位置からＰ２位置まで一往復動した後に加熱による熱影響が残っている範囲を模式的に示したものである。
【００３３】
（１−４．照射軌跡Ｔについて）
次に、照射軌跡Ｔについて説明する。図５，図６に示すように、本実施形態において、照射軌跡Ｔは、螺旋状である。なお、ここでいう、螺旋状における螺旋とは、三次元空間における螺旋のことではなく、二次元の平面上に投影した曲線をいうものとする。一例として、この曲線は、三次元空間における螺旋を斜め方向から見た図を、平面図に投影した形状としてもよい。別の言い方をすると、螺旋状の照射軌跡Ｔは、円と、主方向Ｍと平行な方向に成分を有する直線と、を合成した形状とも言える。なお、螺旋状の照射軌跡Ｔの形状は、図５，図６に示す形状に限らず、任意に設定可能である。
【００３４】
そして、赤外レーザ光Ｌ１は、予め設定された螺旋状の照射軌跡Ｔをトレースして移動することにより造形経路Ｈにおける幅方向Ｊの範囲内を往復動する。なお、本実施形態において、螺旋状の照射軌跡Ｔをトレースして移動するのは、前述したように、赤外レーザ光Ｌ１の照射スポットの中心点である。
【００３５】
そして、このとき螺旋の幅Ｄ（直径）は造形経路Ｈの所定幅αと等しい。つまり、赤外レーザ光Ｌ１の往復動の大きさは、例えば１００μｍ程度であり、非常に微小である。従って、赤外レーザ光Ｌ１は、前述したように造形経路Ｈの幅方向Ｊに微振動（往復動）しながら、造形経路Ｈの主方向Ｍに移動し照射する。このような螺旋状の照射軌跡Ｔに沿って行なわれる赤外レーザ光Ｌ１の照射は、前述したように、ガルバノスキャナ３６の作動を制御することによって実現される。
【００３６】
このように、赤外レーザ光Ｌ１は、造形経路Ｈの所定幅αの幅一杯に往復動して照射される。このため、隣接するチタン鋼粉末ＴｉＭも直接、一部が加熱されるとともに、全体が加熱された造形経路Ｈ内のチタン鋼粉末ＴｉＭからも熱が良好に伝達される。これにより、実際に全体が加熱されたチタン鋼粉末ＴｉＭと、隣接するチタン鋼粉末ＴｉＭとが良好に溶融接合できる。このように、造形経路Ｈの所定幅αの大きさは、一定の溶融池を形成し続けるのに必要なレーザスポット径やレーザ出力に応じて設定される。ただし、所定幅αの大きさは、上記態様には限らない。所定幅αは、両側で隣接するチタン鋼粉末ＴｉＭとの接触点までの幅であってもよい。また、所定幅αは、実際に全体が加熱されるチタン鋼粉末ＴｉＭの内側のみに存在する小さな幅であっても良い。
【００３７】
なお、螺旋状の照射軌跡Ｔに基づき、赤外レーザ光Ｌ１の照射が造形経路Ｈの所定幅α内で往復動する場合、一往復動する間に、主方向Ｍに移動する区間Ｑと、主方向Ｍとは反対の方向に移動する区間Ｒとを有している（図６参照）。しかし、一往復動の前後における照射軌跡Ｔの各位置で比較すると、往復動後における位置Ｐ２は、往復動前における位置Ｐ１に対して、主方向Ｍに移動している。従って、照射軌跡Ｔは、見かけ上、造形経路Ｈの主方向Ｍに沿って移動するといえる。よって、照射軌跡Ｔに基づき照射される赤外レーザ光Ｌ１は、造形経路Ｈの主方向Ｍに沿って移動しながら、金属粉末１５の薄膜層１５ａを固化するといえる。
【００３８】
また、上記において、主方向Ｍに沿って移動する赤外レーザ光Ｌ１の見かけ上の平均移動速度を第一速度Ｖ１（第一平均移動速度に相当）とし、螺旋状に往復動する赤外レーザ光Ｌ１の実際の平均移動速度を第二速度Ｖ２（第二平均移動速度に相当）とした場合、第一速度Ｖ１と第二速度Ｖ２との間は、Ｖ１＜Ｖ２の関係となるよう設定される。
【００３９】
第一速度Ｖ１及び第二速度Ｖ２とも、その速度は一定ではない。第一速度Ｖ１においては、速度方向が逆転する場合を含む。また、第二速度Ｖ２においては、造形経路Ｈの幅方向における端部の折り返し位置でもっとも速度が遅くなり、幅方向における中央部でもっとも速度が速くなる。なお、本実施形態では、第一速度Ｖ１は、例えば、０．７ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓ程度とする。また、第二速度Ｖ２は、例えば、７ｍ／ｓ程度とする。
【００４０】
（１−５．作用）
次に、上述したように造形経路Ｈ（照射軌跡Ｔ）が設定され、設定された造形経路Ｈ（照射軌跡Ｔ）に沿って、金属粉末１５の薄膜層１５ａに赤外レーザ光Ｌ１が照射された場合の作用について説明する。
【００４１】
なお、三次元造形物の製造装置において、三次元造形物の相対密度を向上させるためには、三次元造形物に投入する赤外レーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）を増加させればよいことが公知となっている。また、エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）を増加させるためには、赤外レーザ光Ｌ１の出力Ｐ（Ｗ）を増加させればよいことが公知となっている。
【００４２】
以下に、参考のため三次元造形物（積層造形物）を製作する際における、エネルギー密度Ｅを求める式（１）を記載しておく。式（１）から、エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）と、赤外レーザ光Ｌ１の出力Ｐ（Ｗ）との比例関係が見てとれる。
【００４３】
Ｅ＝Ｐ／ｖｓｔ・・・・・・・・・・（１）
Ｅ；エネルギー密度（Ｊ／ｍｍ３）
Ｐ；レーザ出力（Ｗ）
ｖ；走査速度（ｍｍ／ｓ）
ｓ；走査ピッチ（ｍｍ）
ｔ；積層厚さ（ｍｍ）
なお、上記において、走査ピッチｓは、隣接する複数の主方向Ｍの各造形経路中心Ｃ間の距離である。また、積層厚さｔは薄膜層１５ａにおけるチタン鋼粉末ＴｉＭの厚さである。
【００４４】
しかしながら、従来技術（特開２０１５−１９９１９７号公報）のようにレーザ光の造形経路が直線状で、且つレーザ光の移動速度が低速である場合、エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）を増加させるためにレーザ光の出力Ｐ（Ｗ）を増加させると、レーザ光の照射点（照射スポットの中心点）におけるパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）が許容値Ｘを超えて増加してしまう場合がある（図７のグラフ参照）。
【００４５】
なお、図７のグラフの横軸は、造形経路中心Ｃからの距離（ｍｍ）である。また、縦軸は、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）である。なお、参考として、横軸には、従来技術におけるレーザ光の照射スポット径の外周位置ａ，ａが示してある。また、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）は、（レーザ光の出力Ｐ）／（照射スポット面積）によって求められる。また、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）は、レーザ光の移動速度（走査速度）に反比例する特性も有する。
【００４６】
これに対し、本実施形態では、エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）を増加させるために、赤外レーザ光Ｌ１の出力Ｐ（Ｗ）を増加させても、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）が増加されないよう造形経路Ｈ（照射軌跡Ｔ）を設定した。
【００４７】
本実施形態においては、赤外レーザ光Ｌ１が薄膜層１５ａに照射され始めると、図５に示すように、照射される赤外レーザ光Ｌ１は、造形経路Ｈの主方向Ｍに沿って移動されるとともに、造形経路Ｈの所定幅αの範囲内において、螺旋状の照射軌跡Ｔに沿って往復動（微振動）される。
【００４８】
このとき、主方向Ｍに沿って移動する赤外レーザ光Ｌ１の見かけ上の速度である第一速度Ｖ１（例えば、０．７ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓ）は、前述したように、螺旋状に往復動する赤外レーザ光Ｌ１の実際の第二速度Ｖ２（例えば、７ｍ／ｓ）よりも小さい（Ｖ１＜Ｖ２）。つまり、赤外レーザ光Ｌ１が実際に照射軌跡Ｔに沿って移動する際には、赤外レーザ光Ｌ１は、高速（第二速度Ｖ２）で移動される。このため、照射軌跡Ｔ上の各位置においては、従来技術のように許容値Ｘをこえるパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）は出現しない。
【００４９】
具体的には、前述したように、赤外レーザ光Ｌ１の第二速度Ｖ２は、造形経路Ｈの幅方向における端部の折り返し位置でもっとも速度が遅くなり、幅方向における中央部でもっとも速度が速くなる。しかし、何れの位置においても従来技術におけるレーザ光の移動速度を下回ることはないよう設定されている。このため、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）は、図８のグラフに示す特性となる。なお、図８のグラフの横軸は、造形経路中心Ｃからの距離（ｍｍ）である。また、縦軸は、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）である。
【００５０】
図８のグラフにおいて、中央の凹部は、赤外レーザ光Ｌ１の移動速度が速い造形経路中心Ｃ近傍におけるパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）を示す。また、両側の凸部は、赤外レーザ光Ｌ１の移動速度が遅い螺旋状の照射軌跡Ｔの折り返し位置におけるパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）を示す。
【００５１】
このように、赤外レーザ光Ｌ１が、照射軌跡Ｔ上を第二速度Ｖ２で移動することにより、赤外レーザ光Ｌ１の照射部におけるパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）を、全体的に低く抑えることができ、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）が、前述した許容値Ｘを超えることはない。そして、このとき、赤外レーザ光Ｌ１の照射の出力Ｐは、従来技術におけるレーザ光の照射の出力Ｐと同等である。このため、エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）としては、同等である。
【００５２】
従って、本実施形態においては、三次元造形物の相対密度をさらに向上させるためには、両側の凸部におけるパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）を許容値Ｘの近傍まで増加させるよう赤外レーザ光Ｌ１の出力Ｐを増加させればよい。これにより、エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）を増加させることができるため、三次元造形物においては、チタン鋼の真密度に対する相対密度を向上させることができ、強度が確保できる。このとき、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）は、許容値Ｘを超えていないので、赤外レーザ光Ｌ１を照射した照射部の金属が蒸発し、蒸発した際の蒸発反力によって、溶融金属がスパッタとして周囲に飛散する虞はない。このため、スパッタが不純物として造形物に混入されることはないので、三次元造形物として品質が向上する。
【００５３】
（１−６．製造方法）
次に、造形物の製造方法について，図９のフローチャートに基づき説明する。造形物の製造方法は、金属粉末供給工程Ｓ１０と、造形工程Ｓ２０と、を備える。
【００５４】
まず、準備段階について説明する。はじめに、粉末収納容器２２内に、金属粉末１５を投入する。次に、製造装置１００のチャンバ１０内の空気を、図略のガス置換装置によって、例えばＨｅガスに置換する。
【００５５】
金属粉末供給工程Ｓ１０では、制御部４５の金属粉末供給制御部２５が、金属粉末供給装置２０を作動させ、造形物昇降テーブル２３上に金属粉末１５を供給し、照射範囲Ａｒ１に金属粉末１５の薄膜層１５ａを形成する。このため、金属粉末供給制御部２５が、まず、金属粉末１５を載せたフィードテーブル２４を上昇させるとともに、造形物昇降テーブル２３を薄膜層１５ａの一〜二層分だけ下降させる。
【００５６】
そして、リコータ２６を、図１における右から左に向かって移動させて、粉末収納容器２２から造形用容器２１に金属粉末１５を供給し、造形物昇降テーブル２３上に粉末の薄膜層１５ａを形成する。
【００５７】
次に、造形工程Ｓ２０では、造形部７０が造形光ビーム照射装置３０を制御して赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）を金属粉末１５の薄膜層１５ａに照射し、薄膜層１５ａを加熱し焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう。
【００５８】
詳細には、造形工程Ｓ２０では、赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）を、所定幅αを有する造形経路Ｈに沿って照射し、金属粉末１５を溶融させた後、固化する。このとき、造形経路Ｈに沿って赤外レーザ光Ｌ１を照射する際に、赤外レーザ光Ｌ１を造形経路Ｈの主方向Ｍに移動させると共に、赤外レーザ光Ｌ１を幅方向の範囲内において照射軌跡Ｔに沿って往復動させる。なお、往復動させる際には、直前の加熱による熱影響が残っている領域Ａｒ２内で往復動させる。詳細な処理については全て上述したとおりである。これにより、上記で説明した高強度で、高品質な三次元造形物が製造できる。
【００５９】
＜２．その他＞
（２−１．第二実施形態）
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態では、造形物の製造装置２００が、第一実施形態の製造装置１００に対し、フィードバック装置２１０を追加し備える（図１０参照）。フィードバック装置２１０は、フォトセンサ１３０（蒸発検出センサに相当）と、出力演算制御部１４０と、を備える。フォトセンサ１３０は、造形部７０が所定幅αを有する造形経路Ｈに沿って赤外レーザ光Ｌ１（形光ビーム）を照射する際、照射点において金属粉末１５（チタン鋼粉末ＴｉＭ）が溶融し、溶融後に蒸発した場合に、蒸発した金属粉末１５の蒸発量を検出する。
【００６０】
金属の蒸発量の検出は、金属が蒸発する際、発生するプラズマをフォトセンサ１３０が、検出することにより行なう。なお、プラズマの検出が可能であれば、フォトセンサ１３０は、どこに配置されてもよい。本実施形態においては、一例として、フォトセンサ１３０は、レーザヘッド３２内に配置する。また、フォトセンサ１３０は公知の製品であるので、これ以上の詳細な説明は省略する。また、フォトセンサ以外にも、赤外線放射温度計などによる温度計測によってプラズマを検出しても良い。
【００６１】
出力演算制御部１４０は制御部４５に設けられる。出力演算制御部１４０は、フォトセンサ１３０（蒸発検出センサ）が検出した金属の蒸発量に基づき適正な赤外レーザ光Ｌ１の出力値を演算する。その後、演算した出力値をレーザ光照射制御部４９に送信する。レーザ光照射制御部４９は、造形光ビーム照射装置３０が照射する赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の出力値が、指令された出力値となるよう制御する。
【００６２】
このように、フォトセンサ１３０によって、金属の蒸発が検出された場合、照射した赤外レーザ光Ｌ１の出力Ｐが大きすぎ、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）が許容値Ｘを超えたことを示している。このため、出力演算制御部１４０が赤外レーザ光Ｌ１の出力Ｐを所定量だけ減少させる制御や、レーザ走査速度を上昇させる制御などを行なう。これにより、金属の蒸発を防止し、さらに効率よく高強度、及び高品質な三次元造形物が製造できる。
【００６３】
（２−２．変形例１及び変形例２）
なお、上記第一、第二実施形態においては、赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の照射軌跡Ｔは、螺旋状であるものとして説明した。しかし、この態様には限らない。変形例１として、往復動する照射軌跡Ｔを、図１１に示すように矩形状としても良い。これによっても、相応の効果が期待できる。また、変形例２として、往復動する照射軌跡Ｔを、図１２に示すように鋸歯状としても良い。これによっても、相応の効果が期待できる。
【００６４】
＜３．実施形態による効果＞
上記実施形態に係る造形物の製造装置１００は、赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の照射により金属粉末１５を焼結又は溶融によって固化させ積層造形する。そして、製造装置１００によれば、金属粉末１５を赤外レーザ光Ｌ１の照射範囲Ａｒ１に供給する金属粉末供給装置２０と、照射範囲Ａｒ１に供給された金属粉末１５の表面に赤外レーザ光Ｌ１を照射する造形光ビーム照射装置３０と、造形光ビーム照射装置３０を制御して金属粉末１５を加熱し焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう造形部７０と、を備える。そして、造形部７０は、所定幅αを有する造形経路Ｈに沿って金属粉末１５を固化し、造形部７０は、造形経路Ｈに沿って赤外レーザ光Ｌ１を照射する際に、赤外レーザ光Ｌ１を造形経路Ｈの主方向Ｍに移動させると共に、造形経路Ｈにおいて直前の加熱による熱影響が残っている領域Ａｒ２内で赤外レーザ光Ｌ１を幅方向Ｊに往復動させる。
【００６５】
このように、造形物の製造装置１００は、造形経路Ｈの主方向Ｍに沿って赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）を照射する際、赤外レーザ光Ｌ１を造形経路Ｈの主方向Ｍに移動させると共に、造形経路Ｈにおいて直前の加熱による熱影響が残っている領域Ａｒ２内で赤外レーザ光Ｌ１の照射を幅方向Ｊに往復動させる。
【００６６】
このため、例えば、赤外レーザ光Ｌ１の照射が、見かけ上、従来技術と同様の移動速度で造形経路Ｈに沿って移動したとしても、その移動は、造形経路Ｈの所定幅α内において微小な往復動をしながらの移動であるため、往復動における実際の赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の移動速度を十分大きくすることが出来る。
【００６７】
従って、往復動において過大なパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）の発生を抑制しながら、全体として十分なエネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）を確保することが出来る。これにより、照射された部分の金属が蒸発し、溶融金属がスパッタとして周囲に飛散することを防止できるとともに、造形物の密度（相対密度）を向上させることができる。
【００６８】
また、上記実施形態によれば、造形経路Ｈの所定幅α内で往復動する赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）は、一往復動する間に、造形経路Ｈの主方向Ｍに移動する。このように、赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）は、見かけ上、主方向Ｍに低速で移動しつつ、実際には、高速で往復動するため、過大なパワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）の発生が効果的に抑制できる。
【００６９】
また、上記実施形態によれば、赤外レーザ光Ｌ１の照射において、造形経路Ｈの主方向Ｍにおける見かけ上の平均移動速度である第一速度Ｖ１（第一平均移動速度）は、造形経路Ｈの幅方向Ｊにおける往復動の実際の平均移動速度である第二速度Ｖ２（第二平均移動速度）よりも小さい。これにより、赤外レーザ光Ｌ１の照射時において、第二速度Ｖ２によって、パワー密度Ｆ（Ｗ／ｍｍ２）を抑制しながら、主方向Ｍを低速で移動させることにより、十分なエネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ３）を金属粉末１５の照射部に付与することができ、造形物の相対密度を向上させることができる。
【００７０】
また、上記実施形態によれば、往復動する赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の照射軌跡Ｔは螺旋状である。このため、往復動において、第二速度Ｖ２（第二平均移動速度）が「０」になる位置がなく効率的である。
【００７１】
また、上記実施形態によれば、往復動する赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の照射軌跡Ｔは矩形状である。このため、往復動において、屈曲点では第二速度Ｖ２（第二平均移動速度）が「０」になるが、造形経路Ｈが直線で形成されており、制御が容易に行なえる。
【００７２】
また、上記実施形態によれば、往復動する前記造形光ビームの照射軌跡Ｔは鋸歯状である。この態様においても、上記と同様、往復動において、屈曲点では第二速度Ｖ２（第二平均移動速度）が「０」になるが、造形経路Ｈが直線で形成されており、制御が比較的容易に行なえる。
【００７３】
また、上記実施形態によれば、造形部７０が造形経路Ｈに沿って赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）を照射する際、照射された金属粉末１５が溶融し、溶融後に蒸発した蒸発量を検出するフォトセンサ１３０（蒸発検出センサ）と、フォトセンサ１３０（蒸発検出センサ）が検出した蒸発量に基づき造形光ビーム照射装置３０が照射する赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の出力Ｐを制御する出力演算制御部１４０と、を備える。これにより、確実に金属粉末１５の蒸発を防止し、さらに効率よく高強度、及び高品質な三次元造形物が製造できる。
【００７４】
また、上記実施形態の造形物の製造方法は、赤外レーザ光Ｌ１（造形光ビーム）の照射により金属粉末１５を焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形物の製造方法である。そして、造形物の製造方法は、金属粉末１５を赤外レーザ光Ｌ１の照射範囲Ａｒ１に供給する金属粉末供給工程Ｓ１０と、赤外レーザ光Ｌ１を照射して金属粉末１５を加熱し焼結又は溶融によって固化させ積層造形する造形処理を行なう造形工程Ｓ２０と、を備える。造形工程Ｓ２０は、所定幅αを有する造形経路Ｈに沿って金属粉末１５を固化し、造形経路Ｈに沿って赤外レーザ光Ｌ１を照射する際に、赤外レーザ光Ｌ１を造形経路Ｈの主方向Ｍに移動させると共に、造形経路Ｈにおいて直前の加熱による熱影響が残っている領域Ａｒ２内で赤外レーザ光Ｌ１を幅方向Ｊに往復動させる。これにより、上記製造装置で製造される造形物と同様の造形物が製作できる。
【符号の説明】
【００７５】
１５；金属粉末、  １５ａ；薄膜層、  ２０；金属粉末供給装置、  ２５；金属粉末供給制御部、  ３０；造形光ビーム照射装置、  ４５；制御部、  ４９；レーザ光照射制御部、  ７０；造形部、  １００，２００；製造装置、  １３０；蒸発検出センサ（フォトセンサ）、  １４０；出力演算制御部、  Ａｒ１；照射範囲、  Ａｒ２；領域、  Ｈ；造形経路、  Ｊ；幅方向、  Ｌ１；造形光ビーム（赤外レーザ光）、  Ｍ；主方向、  Ｐ；出力、  Ｓ１０；金属粉末供給工程、  Ｓ２０；造形工程、  Ｔ；照射軌跡、  Ｖ１；第一平均移動速度（第一速度）、  Ｖ２；第二平均移動速度（第二速度）、  α；所定幅。
【図１】
2018111849.tif 000003
【図２】
2018111849.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018111849.tif 000009
【図８】
2018111849.tif 000010
【図９】
2018111849.tif 000011
【図１０】
2018111849.tif 000012
【図１１】
2018111849.tif 000013
【図１２】
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