(57)【要約】【課題】金属造形物において生じ得る残留応力を小さく抑える。【解決手段】照射装置（１３）は、パウダーベッド（ＰＢ）の第１の領域に第１のレーザ光（ＬＡ）を照射する第１の照射部（１３Ａ）と、パウダーベッド（ＰＢ）の第２の領域に第２のレーザ光（ＬＢ）を照射する第２の照射部（１３Ｂ）と、を備えている。第２の照射部（１３Ｂ）は、第２の領域に照射される第２のレーザ光（ＬＢ）のエネルギー密度が、第１の領域に照射される第１のレーザ光（ＬＡ）のエネルギー密度よりも低くなるように、第２のレーザ光（ＬＢ）を照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属造形に用いられる照射装置において、
金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射部と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射部と、を備えており、
上記第２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、
上記第２の照射部は、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする照射装置。
【請求項２】
上記第２のレーザ光の波長が上記第１のレーザ光の波長よりも長い、
ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
【請求項３】
上記第２の照射部は、上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射後に上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の照射装置。
【請求項４】
上記第２の照射部は、上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射前に上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の照射装置。
【請求項５】
上記第１の照射部は、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記第１のレーザ光を照射し、
上記第２の照射部は、上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の照射装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の照射装置と、
上記第１のレーザ光を導波する第１の光ファイバと、
上記第２のレーザ光を導波する第２の光ファイバと、を備えている、
ことを特徴とする金属造形装置。
【請求項７】
（１）上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射後に上記第２のレーザ光が照射されるように、又は、（２）上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射前に上記第２のレーザ光が照射されるように、上記第１の照射部及び上記第２の照射部を制御する制御部を更に備えている、
ことを特徴とする請求項６に記載の金属造形装置。
【請求項８】
上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記第１の照射部を制御すると共に、上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記第２の照射部を制御する制御部を更に備えている、
ことを特徴とする請求項６に記載の金属造形装置。
【請求項９】
上記パウダーベッドの温度を測定する測定部を更に備えており、
上記制御部は、上記測定部によって測定される温度に基づいて、上記第１の照射部及び上記第２の照射部を制御する、
ことを特徴とする請求項８に記載の金属造形装置。
【請求項１０】
請求項６〜９の何れか１項に記載の金属造形装置と、上記第１のレーザ光を出力する第１のレーザ装置と、上記第２のレーザ光を出力する第２のレーザ装置と、上記パウダーベッドを保持するための造形テーブルと、を含んでいる、
ことを特徴とする金属造形システム。
【請求項１１】
金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射工程と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、を含んでおり、
上記第２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、
上記第２の照射工程において、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする照射方法。
【請求項１２】
金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射工程と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、を含んでおり、
上記第２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、
上記第２の照射工程において、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする金属造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属造形に用いられる照射装置及び照射方法に関する。また、そのような照射装置を備えた金属造形装置、及び、そのような金属造形装置を備えた金属造形システムに関する。また、そのような照射方法を含む金属造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体的な金属造形物を製造するための方法として、パウダーベッドを母材とする積層造形法が知られている。このような積層造形法には、（１）電子ビームを用いてパウダーベッドを溶融・凝固又は焼結させる電子ビーム方式と、（２）レーザビームを用いてパウダーベッドを溶融・凝固又は焼結させるレーザビーム方式と、がある（非特許文献１参照）。
【０００３】
電子ビーム方式の積層造形法では、電子ビームの照射による本加熱の前に、パウダーベッドを仮焼結させるための補助加熱（「予備加熱」と呼ばれることもある）を行う必要がある。仮焼結していないパウダーベッドに電子ビームを照射すると、パウダーベッドを構成する金属紛体が煙状に舞い上がるスモーク現象が生じ易く、正常な溶融池を形成することが困難だからである。なお、補助加熱においては、パウダーベッドの温度を金属紛体の融点の０．５倍以上０．８倍以下にすればよいことが知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】千葉晶彦著、”電子ビーム積層造形技術による金属組織の特徴”、計測と制御、第５４巻、第６号、２０１５年６月号、ｐ３９９−４００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、電子ビーム方式の積層造形法では、通常、電子ビームの照射による本加熱の前に、パウダーベッドを仮焼結させるための補助加熱が行われる。このため、電子ビーム方式の積層造形法には、以下のデメリットとメリットとがある。デメリットは、本加熱の前に補助加熱を行うため、金属造形物の積層造形に掛かる時間が長くなる点である。一方、メリットは、できあがった金属造形物において生じ得る残留応力が小さい点である。これは、パウダーベッドを補助加熱することの副次的効果であると考えられている。
【０００６】
これに対して、レーザビーム方式の積層造形法では、電子ビーム方式の積層造形法とは異なり金属紛体のチャージアップが起こり得ないことから上述したスモーク現象が起こり得ないため、通常、レーザビームの照射による本加熱の前に、パウダーベッドを仮焼結させるための補助加熱が行われない。このため、レーザビーム方式の積層造形法には、以下のメリットとデメリットとがある。メリットは、本加熱の前に補助加熱を行わないため、金属造形物の積層造形に掛かる時間を短く抑えられる点である。一方、デメリットは、できあがった金属造形物において生じ得る残留応力が大きい点である。
【０００７】
したがって、レーザビーム方式の積層造形法においては、そのメリットを保ったまま、そのデメリットを低減することが求められる。すなわち、金属造形物の積層造形に掛かる時間を短く抑えながら、できあがった金属造形物において生じ得る残留応力を小さく抑えることが求められる。
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属造形物の積層造形に掛かる時間を短く抑えながら、できあがった金属造形物において生じ得る残留応力を小さく抑えることが可能な、レーザビーム方式の積層造形法を用いた照射装置、金属造形装置、金属造形システム、照射方法、又は金属造形物の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る照射装置は、金属造形に用いられる照射装置であって、金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射部と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射部と、を備えており、上記２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、上記第２の照射部は、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射する。
【００１０】
本発明の一態様に係る照射装置において、上記第２のレーザ光の波長は、上記第１のレーザ光の波長よりも長い、ことが好ましい。
【００１１】
本発明の一態様に係る照射装置において、上記第２の照射部は、上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射後に上記第２のレーザ光を照射する、こと好ましい。
【００１２】
本発明の一態様に係る照射装置において、上記第２の照射部は、上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射前に上記第２のレーザ光を照射する、こと好ましい。
【００１３】
本発明の一態様に係る照射装置において、上記第１の照射部は、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記第１のレーザ光を照射し、上記第２の照射部は、上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記第２のレーザ光を照射する、ことが好ましい。
【００１４】
本発明の一態様に係る金属造形装置は、本発明の一態様に係る照射装置と、上記第１のレーザ光を導波する第１の光ファイバと、上記第２のレーザ光を導波する第２の光ファイバと、を備えている、ことが好ましい。
【００１５】
本発明の一態様に係る金属造形装置は、（１）上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射後に上記第２のレーザ光が照射されるように、又は、（２）上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射前に上記第２のレーザ光が照射されるように、上記第１の照射部及び上記第２の照射部を制御する制御部を更に備えている、ことが好ましい。
【００１６】
本発明の一態様に係る金属造形装置は、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記第１の照射部を制御すると共に、上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記第２の照射部を制御する制御部を更に備えている、ことが好ましい。
【００１７】
本発明の一態様に係る金属造形装置は、上記パウダーベッドの温度を測定する測定部を更に備えており、上記制御部は、上記測定部によって測定される温度に基づいて、上記第１の照射部及び上記第２の照射部を制御する、ことが好ましい。
【００１８】
本発明の一態様に係る金属造形システムは、本発明の一態様に係る金属造形装置と、上記第１のレーザ光を出力する第１のレーザ装置と、上記第２のレーザ光を出力する第２のレーザ装置と、上記パウダーベッドを保持するための造形テーブルと、を含んでいる、ことが好ましい。
【００１９】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る照射方法は、金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射工程と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、を含んでおり、上記２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、上記第２の照射工程において、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射する。
【００２０】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る金属造形物の製造方法は、金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射工程と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、を含んでおり、上記２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、上記第２の照射工程において、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様によれば、レーザビーム方式の積層造形法を採用しながらも、金属造形物において生じ得る残留応力を小さく抑えることが可能な照射装置、金属造形装置、金属造形システム、照射方法、又は金属造形物の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属造形システムの構成を示す構成図である。
【図２】図１に示す金属造形システムが備える照射部の構成を示す構成図である。
【図３】図１に示す金属造形システムにおいて用いられるパウダーベッドの平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る金属造形物の製造方法の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（金属造形システムの構成）
本発明の一実施形態に係る金属造形システム１について、図１〜図２を参照して説明する。図１は、金属造形システム１の構成を示す構成図である。図２は、後述する第１の照射部１３Ａの構成例を示す構成図である。
【００２４】
金属造形システム１は、立体的な金属造形物ＭＯを積層造形するためのシステムであり、図１に示すように、造形テーブル１０と、２つのレーザ装置１１Ａ〜１１Ｂと、２つの光ファイバ１２Ａ〜１２Ｂと、２つの照射部１３Ａ〜１３Ｂを含む照射装置１３と、測定部１４と、制御部１５と、を備えている。照射部１３Ａ及び照射部１３Ｂの各々は、それぞれが別個の筐体に収容されていてもよいし、まとめて１つの筐体に収容されていてもよい。なお、本明細書においては、金属造形システム１の要部のことを、「金属造形装置」と呼ぶ。金属造形装置は、少なくとも２つの光ファイバ１２Ａ〜１２Ｂ及び照射装置１３を含み、測定部１４及び制御部１５を含み得る。
【００２５】
本節では、造形テーブル１０、レーザ装置１１Ａ〜１１Ｂ、光ファイバ１２Ａ〜１２Ｂ、及び照射部１３Ａ〜１３Ｂについて説明した後、これらの構成が奏する効果について説明する。なお、測定部１４及び制御部１５については、次節で説明する。
【００２６】
造形テーブル１０は、パウダーベッドＰＢを保持するための構成である。造形テーブル１０は、例えば図１に示すように、リコータ１０ａと、ローラ１０ｂと、ステージ１０ｃと、これらが装備されたテーブル本体１０ｄと、により構成することができる。リコータ１０ａは、金属紛体を供給するための手段である。ローラ１０ｂは、リコータ１０ａによって供給される金属紛体を、ステージ１０ｃ上に均し広げるための手段である。ステージ１０ｃは、ローラ１０ｂによって均し広げられた金属紛体を載置するための手段であり、昇降可能に構成されている。パウダーベッドＰＢは、ステージ１０ｃ上に均し広げられた金属紛体を含んで構成されている。金属造形物ＭＯは、（１）前述したようにステージ１０ｃ上にパウダーベッドＰＢを形成する工程と、（２）後述するようにレーザ光ＬＬ及びクラッド光ＣＬをパウダーベッドＰＢに照射することによって、金属造形物ＭＯの一断層を造形する工程と、（３）ステージ１０ｃを一断層分降下させる工程と、を繰り返すことによって、所定の厚みを有する断層毎に造形される。
【００２７】
なお、造形テーブル１０は、パウダーベッドＰＢを保持する機能を有していればよく、その構成は、前述したものに限定されない。例えば、リコータ１０ａの代わりに、金属紛体を収容する紛体槽を備え、この紛体槽の底板を上昇させることによって、金属紛体を供給する構成を採用してもよい。
【００２８】
第１のレーザ装置１１Ａは、第１のレーザ光ＬＡを出力するための構成である。第２のレーザ装置１１Ｂは、第２のレーザ光ＬＢを出力するための構成である。本実施形態においては、レーザ装置１１Ａ〜１１Ｂとして、ファイバレーザを用いている。ただし、レーザ装置１１Ａ〜１１Ｂは、ファイバレーザに限定されない。固体レーザ、液体レーザ、気体レーザなど、任意のレーザ装置を、レーザ装置１１Ａ〜１１Ｂとして利用することができる。なお、レーザ装置１１として用いるファイバレーザは、ＭＯＰＡ型のファイバレーザであってもよいし、ＣＷ型のファイバレーザであってもよい。
【００２９】
第１の光ファイバ１２Ａは、第１のレーザ装置１１Ａから出力される第１のレーザ光ＬＡを導波するための構成である。第２の光ファイバ１２Ｂは、第２のレーザ装置１１Ｂから出力される第２のレーザ光ＬＢを導波するための構成である。本実施形態においては、光ファイバ１２Ａ〜１２Ｂとして、ダブルクラッドファイバを用いている。ただし、光ファイバ１２Ａ〜１２Ｂは、ダブルクラッドファイバに限定されない。シングルクラッドファイバ、トリプルクラッドなど、任意の光ファイバを、光ファイバ１２Ａ〜１２Ｂとして利用することができる。
【００３０】
第１の照射部１３Ａは、第１の光ファイバ１２Ａによって導波される第１のレーザ光ＬＡを、パウダーベッドＰＢに照射するための構成である。第２の照射部１３Ｂは、第２の光ファイバ１２Ｂによって導波される第２のレーザ光ＬＢを、パウダーベッドＰＢに照射するための構成である。本実施形態においては、照射部１３Ａ〜１３Ｂとして、ガルバノ型の照射装置を用いている。本実施形態において、第１の照射部１３Ａと第２の照射部１３Ｂとは、共通の構成を有している。そこで、第１の照射部１３Ａの構成について、図２を参照して説明する。ただし、本発明の一態様において、第１の照射部１３Ａと第２の照射部１３Ｂとは、異なる構成を有していてもよい。
【００３１】
第１の照射部１３Ａは、図２に示すように、第１ガルバノミラー１３ａ１及び第２ガルバノミラー１３ａ２を含むガルバノスキャナ１３ａと、集光レンズ１３ｂと、を備えている。第１の光ファイバ１２Ａから出力される第１のレーザ光ＬＡ及は、（１）第１ガルバノミラー１３ａ１によって反射され、（２）第２ガルバノミラー１３ａ２によって反射され、（３）集光レンズ１３ｂによって集光された後、パウダーベッドＰＢに照射される。
【００３２】
ここで、第１ガルバノミラー１３ａ１は、パウダーベッドＰＢの表面に形成される第１のレーザ光ＬＡのビームスポットを、第１の方向（例えば、図示したｘ軸方向）に移動するための構成である。第２ガルバノミラー１３ａ２は、パウダーベッドＰＢの表面に形成される第１のレーザ光ＬＡのビームスポットを、第１の方向と交わる（例えば、直交する）第２の方向（例えば、図示したｙ軸方向）に移動するための構成である。集光レンズ１３ｂは、パウダーベッドＰＢの表面における第１のレーザ光ＬＡのビームスポット径を小さくするための構成である。
【００３３】
なお、パウダーベッドＰＢの表面におけるレーザ光ＬAのビームスポット径は、集光レンズ１３ｂによって集光されたレーザ光ＬＡのビームウエスト径に一致していてもよいし、一致していなくてもよい。或いは、パウダーベッドＰＢの表面におけるレーザ光ＬＡのビームスポット径は、パウダーベッドＰＢに照射されるレーザ光ＬＡのエネルギー密度が所望の大きさになるように、調整されていてもよい。この場合、パウダーベッドＰＢの表面におけるレーザ光ＬＡのビームスポット径は、集光レンズ１３ｂによって集光されたレーザ光ＬＡのビームウエスト径よりも大きくなる。
【００３４】
第１の照射部１３Ａから照射される第１のレーザ光ＬＡは、パウダーベッドＰＢの温度が金属紛体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くなるように、パウダーベッドＰＢを加熱（以下、「本加熱」と記載）するためのレーザ光である。一方、第２の照射部１３Ｂから照射される第２のレーザ光ＬＢは、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属紛体の融点Ｔｍの０．５倍以上０．８倍以下になるように、パウダーベッドＰＢを加熱（以下、「補助加熱」と記載）するためのレーザ光である。このため、第１の照射部１３Ａは、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡが、第２のレーザ光ＬＢが照射される第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢよりも高くなるように、第１のレーザ光ＬＡを照射する。一方、第２の照射部１３Ｂは、第２のレーザ光ＬＢが照射される第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢが、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡよりも低くなるように、第２のレーザ光ＬＢを照射する。また、第１の照射部１３Ａは、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡの軌跡の少なくとも一部が、第２のレーザ光ＬＢが照射される第２の領域ＤＢの軌跡の少なくとも一部と重なるように、第１のレーザ光ＬＡでパウダーベッドＰＢ上を走査する。一方、第２の照射部１３Ｂは、第２のレーザ光ＬＢが照射される第２の領域ＤＢの軌跡の少なくとも一部が、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡの少なくとも一部と重なるように、第２のレーザ光ＬＢでパウダーベッドＰＢ上を走査する。
【００３５】
以上のように、照射装置１３によれば、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡの軌跡の少なくとも一部において、パウダーベッドＰＢの本加熱の前、本加熱の後、及び本加熱時のうち少なくとも何れか１つのタイミングでパウダーベッドＰＢの補助加熱を実施することができる。したがって、金属造形物ＭＯにおいて生じ得る残留応力を小さく抑えることができる、という効果を奏する。また、第２のレーザ光ＬＢを照射する第２の照射部１３Ｂは、第１のレーザ光を照射する第１の照射部１３Ａから独立している。したがって、補助加熱用のレーザ光ＬＢの照射自由度が高くなる、という効果を奏する。照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、金属造形装置を備えた金属造形システム１によっても、同様の効果を奏する。
【００３６】
なお、照射装置１３において、第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢが、第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡよりも低くなるという条件を満たすことができれば、第１の領域ＤＡに照射される第１のレーザ光ＬＡのエネルギー密度と第２の領域ＤＢに照射される第２のレーザ光ＬＢのエネルギー密度との大小関係は、限定されるものではない。温度ＴＡ及び温度ＴＢは、第１の領域ＤＡに照射される第１のレーザ光ＬＡのエネルギー密度及び第２の領域ＤＢに照射される第２のレーザ光ＬＢのエネルギー密度の他に、第１のレーザ光ＬＡ及び第２のレーザ光ＬＢの各々の波長や、金属粉体の吸収率の波長依存性など複数の因子に応じて定まる。これらの複数の因子を考慮したうえで、第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢが、第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡよりも低くなるという条件を満たすように、照射装置１３は、適宜構成されていればよい。
【００３７】
なお、第１の照射部１３Ａは、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡにおいて、パウダーベッドＰＢの温度ＴＡが金属紛体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くなるように、第１のレーザ光ＬＡを照射することが好ましい。
【００３８】
特に、金属造形物ＭＯの各断層を金属粉体の溶融・凝固によって造形する場合、第１の照射部１３Ａは、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡにおいて、パウダーベッドＰＢの温度ＴＡが金属紛体の融点Ｔｍよりも高くなるように、第１のレーザ光ＬＡを照射することが好ましい。この場合、第１のレーザ光ＬＡでパウダーベッドＰＢ上を走査すると、第１の領域ＤＡの軌跡においてパウダーベッドＰＢが溶融・凝固する。これにより、金属造形物ＭＯの各断層が造形される。
【００３９】
一方、金属造形物ＭＯの各断層を金属粉体の焼結によって造形する場合、第１の照射部１３Ａは、第１のレーザ光ＬＡが照射される第１の領域ＤＡにおいて、パウダーベッドＰＢの温度ＴＡが金属紛体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高く、かつ、金属紛体の融点Ｔｍよりも低くなるように、第１のレーザ光ＬＡを照射することが好ましい。この場合、第１のレーザ光ＬＡでパウダーベッドＰＢ上を走査すると、第１の領域ＤＡの軌跡においてパウダーベッドＰＢが焼結する。これにより、金属造形物ＭＯの各断層が造形される。
【００４０】
また、第２の照射部１３Ｂは、第２のレーザ光ＬＢが照射される第２の領域ＤＢにおいて、パウダーベッドＰＢの温度ＴＢが金属紛体の融点Ｔｍの０．５倍以上０．８倍以下になるように、第２のレーザ光を照射することが好ましい。この条件を満たすことによって、（１）第１のレーザ光ＬＡを第１の領域ＤＡに照射する前に第２のレーザ光ＬＢを第２の領域ＤＢに照射する場合には、第２のレーザ光ＬＢでパウダーベッドＰＢ上を走査すると、第２の領域ＤＢの軌跡においてパウダーベッドＰＢが加熱することができ、（２）第１のレーザ光ＬＡを第１の領域ＤＡに照射した後に第２のレーザ光ＬＢを第２の領域ＤＢに照射する場合には、第１のレーザ光ＬＡを照射された後の第１の領域ＤＡとその周辺領域との温度差を小さくすることができる。
【００４１】
なお、第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢを第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡよりも低くするための方法としては、例えば、第２の領域ＤＢに照射される第２のレーザ光ＬＢのエネルギー密度を第１の領域ＤＡに照射される第１のレーザ光ＬＡのエネルギー密度よりも低くする方法が挙げられる。第２の領域ＤＢに照射される第２のレーザ光ＬＢのエネルギー密度を第１の領域ＤＡに照射される第１のレーザ光ＬＡのエネルギー密度よりも低くするように第１のレーザ光ＬＡ及び第２のレーザ光ＬＢの各々の波長を設定することにより、第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢを第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡよりも低くすることができる。したがって、このような照射装置１３を用いれば、金属造形物ＭＯにおいて生じ得る残留応力を小さく抑えることができる、という効果を得ることができる。このような照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、金属造形装置を備えた金属造形システム１によっても、同様の効果を奏する。
【００４２】
なお、第２の領域ＤＢに照射される第２のレーザ光ＬＢのエネルギー密度を第１の領域ＤＡに照射される第１のレーザ光ＬＡのエネルギー密度よりも低くする構成を採用する場合、第２のレーザ光ＬＢの波長が第１のレーザ光ＬＡの波長よりも長ければ、第２のレーザ光ＬＢの波長が第１のレーザ光ＬＡの波長よりも短い場合と比較して、上述した効果を得られやすくなる。したがって、第２の領域ＤＢに照射される第２のレーザ光ＬＢのエネルギー密度を第１の領域ＤＡに照射される第１のレーザ光ＬＡのエネルギー密度よりも低くする構成を採用する場合、第２のレーザ光ＬＢの波長を第１のレーザ光ＬＡの波長よりも長くする構成を併せて採用することが好ましい。ただし、第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢが第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡよりも低い状態は、第２のレーザ光ＬＢの波長が第１のレーザ光ＬＡの波長よりも短い場合であっても、金属紛体の種類（金属紛体の吸収率）などの他の条件を変更することで、実現することができる。
【００４３】
なお、第１のレーザ光ＬＡ及び第２のレーザ光ＬＢによるパウダーベッドの走査方法としては、少なくとも２つの方法が考えられる。第１の方法は、図３の（ａ）に示すように、第１の領域ＤＡの少なくとも一部に対して、第１のレーザ光ＬＡの照射前に第２のレーザ光ＬＢを照射する方法である。第２の方法は、図３の（ｂ）に示すように、第１の領域ＤＡの少なくとも一部に対して、第１のレーザ光ＬＡの照射後に第２のレーザ光ＬＢを照射する方法である。いずれの方法を採用した場合であっても、照射装置１３によれば、金属造形物ＭＯにおいて生じ得る残留応力を小さく抑えることができる、という効果を奏する。照射装置１３を備えた金属造形装置、及び、金属造形装置を備えた金属造形システム１によっても、同様の効果を奏する。
【００４４】
なお、前述した第１の方法と第２の方法とを比較すると、第２の方法を採用する場合には、第１の方法を採用するよりも、金属造形物ＭＯに生じ得る残留応力を小さく抑えられることが分かる。これは、補助加熱を行うことによって、本加熱された領域とその周辺の領域との温度差を小さくすることに加えて、本加熱が終了した後の凝固した又は焼結した金属造形物ＭＯの少なくとも一部の断層の温度低下を緩やかにすることが可能になるからである。
【００４５】
一方、第１の方法を採用する場合には、第２の方法と比較して以下のメリットが得られ得る。第１のメリットは、金属造形物ＭＯの積層密度が下がり難い点である。すなわち、本加熱の前に補助加熱を行わない場合、本加熱の際にパウダーベッドＰＢが急加熱される。このため、金属紛体が溶融することにより生じる金属液体が大きな運動量を持ち易く、その結果、金属液体が凝固することにより生じる金属固体の表面の平坦性が損なわれ易い。これにより、金属造形物ＭＯの積層密度が下がり易くなる。これに対して、本加熱の前に補助加熱を実施する場合には、本加熱の際のパウダーベッドＰＢの温度上昇を緩やかにすることができる。このため、金属紛体が溶融することにより生じる金属液体が大きな運動量を持ち難くなり、その結果、金属液体が凝固することにより生じる金属固体の表面の平坦性が損なわれ難い。これにより、金属造形物ＭＯの積層密度が下がり難くなる。
【００４６】
第２のメリットは、本加熱の際に照射するレーザ光のパワーを小さく抑えることができる点である。本加熱の際に照射するレーザ光のパワーを小さく抑えることができるのは、本加熱を実施する際のパウダーベッドＰＢの温度が補助加熱によって既にある程度高くなっているからである。第３のメリットは、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度の場所毎のばらつきを小さく抑えることができる点である。例えば、補助加熱を行わずに本加熱によってパウダーベッドＰＢの温度を２０℃から１０００℃に上昇させる場合を考える。この場合、本加熱時の温度上昇度が約１０００℃になるので、そのばらつきが±１０％であるとすると、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度は、約９００℃〜１１００℃の範囲内でばらつくことになる。このように、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度のばらつきが大きいと、ある場所では過剰加熱になり、ある場所では加熱不足になるという問題が生じ易い。一方、補助加熱によってパウダーベッドＰＢの温度を６００℃に上昇させた後、本加熱によってパウダーベッドＰＢの温度を６００℃から１０００℃に上昇させる場合を考える。この場合、本加熱時の温度上昇度が約４００℃になるので、そのばらつきが±１０％であるとすると、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度は、約９６０℃〜１０４０℃の範囲内でばらつくことになる。このように、本加熱時のパウダーベッドＰＢの温度のばらつきが小さいと、ある場所では過剰加熱になり、ある場所では加熱不足になるという問題が生じ難い。
【００４７】
（測定部及び制御部）
前述したように金属造形装置は、測定部１４及び制御部１５を含み得る。本節では、測定部１４及び制御部１５について説明する。なお、図１において、測定部１４と制御部１５とを結ぶ線は、測定部１４にて得られた測定結果を表す信号を制御部１５に送信するための信号線を表し、互いに電気的または光学的に接続されている。また、図１において、制御部１５と照射装置１３とを結ぶ線は制御部１５にて生成された制御信号を照射装置１３に送信するための信号線を表し、互いに電気的または光学的に接続されている。
【００４８】
測定部１４は、パウダーベッドＰＢの温度（例えば、表面温度）を測定するための構成である。測定部１４としては、例えば、サーモカメラを用いることができる。制御部１５は、照射部１３を制御するための構成である。制御部１５としては、例えば、マイコンを用いることができる。本実施形態において、制御部１５は、測定部１４によって測定される温度に基づいて、照射部１３を制御する。
【００４９】
制御部１５による制御の内容としては、例えば、（１ａ）第１の領域ＤＡの少なくとも一部に、第１のレーザ光ＬＡの照射後に第２のレーザ光ＬＢが照射されるように、照射部１３を制御することが挙げられる。或いは、（１ｂ）第１の領域ＤＡの少なくとも一部に、第１のレーザ光ＬＡの照射前、照射後、及び照射中のうち少なくとも何れか１つのタイミングで第２のレーザ光ＬＢが照射されるように、照射部１３を制御することが挙げられる。また、制御部１５による他の制御内容としては、例えば、（２）第１の領域ＤＡにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＡが上記金属紛体の融点Ｔｍの０．８倍よりも高くなるように、第１の照射部１３Ａを制御すると共に、第２の領域ＤＢにおけるパウダーベッドＰＢの温度ＴＢが金属紛体の融点Ｔｍの０．５倍以上０．８倍以下になるように、第２の照射部１３Ｂを制御することが挙げられる。
【００５０】
（金属造形物の製造方法）
金属造形システム１を用いた金属造形物ＭＯの製造方法Ｓについて、図４を参照して説明する。図４は、製造方法Ｓの流れを示すフローチャートである。
【００５１】
製造方法Ｓは、図４に示すように、パウダーベッド形成工程Ｓ１と、レーザ光照射工程Ｓ２（特許請求の範囲における「照射方法」の一例）と、ステージ降下工程Ｓ３と、造形物取出工程Ｓ４と、を含んでいる。金属造形物ＭＯは、前述したように、断層毎に造形される。パウダーベッド形成工程Ｓ１、レーザ光照射工程Ｓ２、及びステージ降下工程Ｓ３を、断層数分、繰り返し実行される。
【００５２】
パウダーベッド形成工程Ｓ１は、造形テーブル１０のステージ１０ｃ上にパウダーベッドＰＢを形成する工程である。パウダーベッド形成工程Ｓ１は、例えば、（１）リコータ１０ａを用いて金属粉体を供給する工程と、（２）ローラ１０ｂを用いて金属粉体をステージ１０ｃ上に均し広げる工程と、により実現することができる。
【００５３】
レーザ光照射工程Ｓ２は、第１のレーザ光ＬＡを第２のレーザ光ＬＢと共にパウダーベッドＰＢに照射することによって、金属造形物ＭＯの一断層を造形する工程である。レーザ光照射工程Ｓ２においては、第１のレーザ光ＬＡによる本加熱と、第２のレーザ光ＬＢによる補助加熱と、が実施される。なお、パウダーベッドＰＢの各点に対する補助加熱は、その点に対する本加熱の前に実施されてもよいし、その点に対する本加熱の後に実施されてもよし、その点に対する本加熱時に実施されてもよい。なお、レーザ光照射工程Ｓ２において第１のレーザ光ＬＡ及び第２のレーザ光ＬＢを照射する領域は、パウダーベッドＰＢの少なくとも一部の領域であり、金属造形物ＭＯの断層形状に応じて決定される。
【００５４】
なお、レーザ光ＬAによってパウダーベッドＰＢを加熱する際、パウダーベッドＰＢの温度Ｔを何度にするかは、金属造形物ＭＯの各断層を金属粉体の溶融・凝固によって造形するか、金属紛体の焼結によって造形するかに応じて決定すればよい。金属造形物ＭＯの各断層を金属粉体の溶融・凝固によって造形する場合、レーザ光ＬＡによって、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属紛体の融点Ｔｍ以上になるように、パウダーベッドＰＢを本加熱すればよい。一方、金属造形物ＭＯの各断層を金属粉体の焼結によって造形する場合、レーザ光ＬＡによって、パウダーベッドＰＢの温度Ｔが金属粉体の融点Ｔｍの０．８倍よりも大きく、かつ、金属粉体の融点Ｔｍよりも小さくなるように、パウダーベッドＰＢを本加熱すればよい。
【００５５】
ステージ降下工程Ｓ３は、一段層分、造形テーブル１０のステージ１０ｃを降下させる工程である。これにより、ステージ１０ｃ上に新たなパウダーベッドＰＢを形成することが可能になる。パウダーベッド形成工程Ｓ１、レーザ光照射工程Ｓ２、及びステージ降下工程Ｓ３を断層数分繰り返すことによって、金属造形物ＭＯができあがる。
【００５６】
造形物取出工程Ｓ４は、できあがった金属造形物ＭＯをパウダーベッドＰＢの中から取り出す工程である。これにより、金属造形物ＭＯが完成する。
【００５７】
レーザ光照射工程Ｓ２、及び、レーザ光照射工程Ｓ２を含む金属造形物の製造方法Ｓによれば、金属造形物ＭＯの積層造形に掛かる時間を短く抑えながら、金属造形物ＭＯにおいて生じ得る残留応力を小さく抑えることができる、という効果、或いは、補助加熱用のレーザ光ＬＢの照射自由度が高くなる、という効果を奏する。
【００５８】
（付記事項）
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものでなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１            金属造形システム
１０              造形テーブル
１１Ａ            第１のレーザ装置
１１Ｂ            第２のレーザ装置
１２Ａ            第１の光ファイバ
１２Ｂ            第２の光ファイバ
１３              照射装置
１３Ａ            第１の照射部
１３Ｂ            第２の照射部
１３ａ                ガルバノスキャナ（照射部）
１３ｂ                集光レンズ
１４              測定部
１５              制御部
ＬＡ          第１のレーザ光
ＬＢ          第２のレーザ光
【図１】
2019178408.tif 000003
【図２】
2019178408.tif 000004
【図３】
2019178408.tif 000005
【図４】
2019178408.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月3日(2019.7.3)
【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】
金属造形に用いられる照射装置において、
金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射部と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射部と、を備えており、
上記第２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、
上記第２の照射部は、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射し、
上記第２のレーザ光の波長が上記第１のレーザ光の波長よりも長い、
ことを特徴とする照射装置。
【請求項２】
上記第２の照射部は、上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射後に上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
【請求項３】
上記第２の照射部は、上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射前に上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の照射装置。
【請求項４】
上記第１の照射部は、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記第１のレーザ光を照射し、
上記第２の照射部は、上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記第２のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の照射装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の照射装置と、
上記第１のレーザ光を導波する第１の光ファイバと、
上記第２のレーザ光を導波する第２の光ファイバと、を備えている、
ことを特徴とする金属造形装置。
【請求項６】
（１）上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射後に上記第２のレーザ光が照射されるように、又は、（２）上記第１の領域の少なくとも一部に、上記第１のレーザ光の照射前に上記第２のレーザ光が照射されるように、上記第１の照射部及び上記第２の照射部を制御する制御部を更に備えている、
ことを特徴とする請求項５に記載の金属造形装置。
【請求項７】
上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．８倍よりも高くなるように、上記第１の照射部を制御すると共に、上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が上記金属紛体の融点の０．５倍以上０．８倍以下になるように、上記第２の照射部を制御する制御部を更に備えている、
ことを特徴とする請求項５に記載の金属造形装置。
【請求項８】
上記パウダーベッドの温度を測定する測定部を更に備えており、
上記制御部は、上記測定部によって測定される温度に基づいて、上記第１の照射部及び上記第２の照射部を制御する、
ことを特徴とする請求項７に記載の金属造形装置。
【請求項９】
請求項５〜８の何れか１項に記載の金属造形装置と、上記第１のレーザ光を出力する第１のレーザ装置と、上記第２のレーザ光を出力する第２のレーザ装置と、上記パウダーベッドを保持するための造形テーブルと、を含んでいる、
ことを特徴とする金属造形システム。
【請求項１０】
金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射工程と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、を含んでおり、
上記第２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、
上記第２の照射工程において、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射し、
上記第２のレーザ光の波長が上記第１のレーザ光の波長よりも長い、
ことを特徴とする照射方法。
【請求項１１】
金属紛体を含むパウダーベッドの第１の領域に第１のレーザ光を照射する第１の照射工程と、上記パウダーベッドの第２の領域に第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、を含んでおり、
上記第２の領域の軌跡の少なくとも一部が上記第１の領域の軌跡の少なくとも一部と重なり、
上記第２の照射工程において、（１）上記第２の領域に照射される上記第２のレーザ光のエネルギー密度が、上記第１の領域に照射される上記第１のレーザ光のエネルギー密度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射するか、又は、（２）上記第２の領域における上記パウダーベッドの温度が、上記第１の領域における上記パウダーベッドの温度よりも低くなるように、上記第２のレーザ光を照射し、
上記第２のレーザ光の波長が上記第１のレーザ光の波長よりも長い、
ことを特徴とする金属造形物の製造方法。