(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層造形法を用いた、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法であって、
前記構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成するベッド形成工程と、
レーザーを走査して前記パウダーベッドを溶融して、前記β型チタン合金を含有する凝固層を形成する溶融工程とを交互に繰り返して、複数の前記凝固層が積層された前記構造物を形成し、
前記各溶融工程において、第ｋ層（ｋは自然数）の前記凝固層を形成するときの前記レーザーの走査方向を、前記第ｋ層の前記凝固層の下層の第ｋ−１層の前記凝固層を形成するときの前記レーザー走査方向に対して直交又は並行に調整し、
前記各溶融工程では、
前記高エネルギー熱源のエネルギー出力Ｅ（Ｗ）、走査速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）、走査間隔Ｐ（ｍｍ）、有効溶融池幅Ｍ（ｍｍ）が式（１）〜式（４）を満たす、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法。
Ｅ＞２００  （１）
Ｓ＞６００  （２）
Ｅ／（Ｓ×Ｐ）≧２．５  （３）
０．４５≦Ｐ／Ｍ≦０．６０  （４）
ここで、有効溶融池幅Ｍとは、前記溶融工程において前記高エネルギー熱源を用いた１走査で形成され、縦断面が下に凸の放物線状の形状を有する凝固部分のうち、前記放物線状の形状の底部分の幅（ｍｍ）を意味する。
【請求項２】
請求項１に記載のβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法であって、
前記β型チタン合金を含有する構造物の素材は、ＡＳＴＭ  Ｆ１３６−１３（２０１３）に規定されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ（Ｅｘｔｒａ  Ｌｏｗ  Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｓ）合金、ＩＳＯ  ５８３２−１１（２０１４）に規定されるＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金、ＩＳＯ  ５８３２−１４（２００７）に規定されるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金、ＪＩＳ  Ｔ７０４１−４（２００９）に規定されるＴｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ合金からなる群から選択される１種以上である、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法であって、
前記積層造形法は、レーザー積層造形法である、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の製造方法に関し、さらに詳しくは、β型チタン合金を含有する構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料は力学特性が長期にわたり一定であり、信頼性が高い。そのため、金属材料は、整形外科等の医療及び歯科用のインプラント用途に利用されている。特に、チタンは生体親和性が高いため、チタンを含有するチタン合金は人工関節、骨プレート等の医療用、歯科用インプラントとして広く利用されている。
【０００３】
しかしながら、金属材料からなる中実のインプラントの弾性率は、生体骨の弾性率よりも大きい。そのため、インプラントを生体骨中に埋入した場合、弾性率差に起因して、生体骨とインプラントとの界面において生体骨が破壊されたり、生体骨に正常な応力が負荷されなくなる、いわゆる応力遮断が生じたりする。したがって、金属製インプラントの低弾性率化が求められている。
【０００４】
本発明者らは、低弾性率化を実現できる構造物を特開２０１１−１３６０８３号公報
（特許文献１）及び特開２０１３−９４３９０号公報（特許文献２）に提案している。
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に開示された構造物は、無機粉末粒子が溶解されて形成される凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成され、凝固部と結合される焼結部とを備える。焼結部は、内部に隙間を有するため、中実材と比較して密度が低い。そのため、特許文献１に開示された構造物は、中実の金属構造物と比較して、弾性率を低くすることができる。このような構造物はたとえば、付加製造技術ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）の積層造形法により形成できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１３６０８３号公報
【特許文献２】特開２０１３−９４３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１及び２では、構造物を多孔質化することにより、低弾性率化を実現する。しかしながら、他の方法によっても低弾性率化を実現できればさらに好ましい。
【０００８】
本発明の目的は、低弾性率化を実現できるβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態によるβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法は、積層造形法を用いる。本製造方法は、ベッド形成工程と、溶融工程とを交互に繰り返して、複数の凝固層が積層された構造物を形成する。ベッド形成工程は、構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成する。溶融工程は、高エネルギー熱源を走査してパウダーベッドを溶融して、β型チタン合金を含有する凝固層を形成する。
【００１０】
ここで、β型チタンとは、体心立方格子構造（ｂｃｃ）を有するチタン合金を意味する。β型チタンを含有する構造物は、たとえば、β型チタン合金だけでなく、（α（ｈｃｐ）＋β（ｂｃｃ））型チタンや、チタンの炭化物等を含有する構造物や、結晶構造の異なるω相などの第二相が析出している構造物等である。
【００１１】
本実施形態による製造方法は、低弾性率化を実現できるβ型チタン合金を含有する構造物を製造できる。
【００１２】
好ましくは、上記溶融工程では、高エネルギー熱源のエネルギー出力Ｅ（Ｗ）、走査速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）、走査間隔Ｐ（ｍｍ）、有効溶融池幅Ｍ（ｍｍ）が式（１）〜式（４）を満たす。
Ｅ＞２００  （１）
Ｓ＞６００  （２）
Ｅ／（Ｓ×Ｐ）≧２．５  （３）
０．４５≦Ｐ／Ｍ≦０．６０  （４）
ここで、有効溶融池幅Ｍとは、溶融工程において高エネルギー熱源を用いた１走査で形成され、縦断面が下に凸の放物線状の形状を有する凝固部分のうち、放物線状の形状の底部分の幅（ｍｍ）を意味する。
【００１３】
金属材料の力学特性は一般的に、結晶方位により大きく異なる（結晶異方性）。β型チタン合金の場合、その弾性率は結晶方位＜１００＞で最も低く、生体骨の弾性率に近づく。したがって、結晶方位を制御して、＜１００＞の配向性を高めた構造物を製造できれば、弾性率を低下することができる。
【００１４】
本製造方法は結晶方位が制御された構造物を製造できる。具体的には、上記式（１）〜式（４）を満たす溶融工程を実施すれば、＜１００＞の配向性が高くなる。そのため、構造物の弾性率を低下させ、生体骨の弾性率に近づけることができる。
【００１５】
上記製造方法では、各溶融工程での走査方向を調整して、前記構造物の結晶配向性を制御してもよい。
【００１６】
この場合、β型チタン合金を含有する構造物の結晶配向性（集合組織）を調整できる。
【００１７】
上記製造方法において、β型チタン合金を含有する構造物の素材はたとえば、ＡＳＴＭ Ｆ１３６−１３（２０１３）に規定されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ ＥＬＩ（Ｅｘｔｒａ Ｌｏｗ Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｓ）合金、ＩＳＯ  ５８３２−１１（２０１４）に規定されるＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金、ＩＳＯ  ５８３２−１４（２００７）に規定されるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金、ＪＩＳ  Ｔ７０４１−４（２００９）に規定されるＴｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ合金からなる群から選択される１種以上であり、β型チタン合金はたとえば、ＩＳＯ  ５８３２−１４（２００７）に規定されるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金である。
【００１８】
本製造方法において、上記積層造形法はたとえば、レーザー積層造形法である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本実施形態の製造方法に利用される積層造形装置の構成図である。
【図２】図２は、ＩＳＯ  ５８３２−１４（２００７）に規定されるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金を用いて測定された結晶方位と弾性率との関係を示す図である。
【図３】図３は、積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力Ｅ（Ｗ）及び走査速度Ｓ（ｍｍ／秒）と、測定方向における結晶面（１００）のロットゲーリングファクター（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ）＝Ｌ（１００）の値との関係を示す。
【図４】図４は、積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力Ｅ（Ｗ）及び走査速度Ｓ（ｍｍ／秒）と、エネルギー密度Ｄの値と、測定方向における（１００）のロットゲーリングファクター（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ）＝Ｌ（１００）との関係を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、溶融工程において、高エネルギー熱源の１走査で形成された凝固部分の、走査方向と垂直な断面（縦断面）の模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、出力Ｅ＝３００Ｗ、走査速度Ｓ＝１０００ｍｍ／秒、走査間隔Ｐ＝０．１２ｍｍで積層造形法によりＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金の構造物を製造した場合の、最上面近傍の縦断面写真画像である。
【図６】図６は、積層造形法により得られた、走査間隔Ｐの有効溶融池幅Ｍに対する比（＝Ｐ／Ｍ）と、測定方向における（１００）のロットゲーリングファクター（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ）＝Ｌ（１００）との関係を示す。
【図７】図７は、本実施形態のチタン合金を含有する構造物の製造方法の詳細を示すフロー図である。
【図８】図８は、図７中の造形工程の詳細を示すフロー図である。
【図９】図９は、図８中のベッド形成工程を示す模式図である。
【図１０】図１０は、図９に続く一工程を示す模式図である。
【図１１】図１１は、図１０に続く一工程を示す模式図である。
【図１２】図１２は、図１１に続く一工程を示す模式図である。
【図１３】図１３は、図１２に続く一工程を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３に続く一工程を示す模式図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本実施形態の製造方法で製造されたＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金の構造物の写真画像である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａと異なる、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金の他の構造物の写真画像である。
【図１６】図１６は、本実施形態の積層造形法における高エネルギー熱源の走査方向を説明するための模式図である。
【図１７】図１７（Ａ）は、図１６（Ａ）で走査して製造された構造物の極点図であり、図１７（Ｂ）は、図１６（Ｂ）で走査して製造された構造物の極点図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２１】
本実施形態によるβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法では、たとえば、図１に示す積層造形装置を使用する。
【００２２】
［積層造形装置の構成］
図１を参照して、積層造形装置１００は、レーザー積層造形装置である。積層造形装置１００は、制御装置１０と、レーザー装置１４と、レンズ系１５と、ミラー（ガルバノミラー）１６と、チャンバ２０とを備える。
【００２３】
レーザー装置１４は高エネルギー熱源であり、レーザー光を出射する。レーザー装置１４はたとえば、ファイバーレーザーやＹＡＧレーザー等の固体レーザー、ＣＯ2レーザー等である。レンズ系１５は、レーザー装置１４からレーザー光を受け、レーザー光を収束してレーザー３０を形成する。ミラー１６は、レーザー３０の照射操作を行う。つまり、ミラー１６により、レーザー３０が照射される位置が調整される。
【００２４】
チャンバ２０は、ベッド形成室２０１と、粉末供給室２０２と、造形テーブル２０３と、リコータ２０５とを備える。
【００２５】
ベッド形成室２０１は、筒状であり、上端に開口を有する。造形テーブル２０３は、ベッド形成室２０１に収納され、上下方向に昇降可能に支持される。造形テーブル２０３は、図示しないモータにより昇降する。造形テーブル２０３上には、基台２０８が配置される。基台２０８はたとえば、チタン等の金属からなる。基台２０８はチタン以外の他の金属であってもよい。β型チタン合金を含有する構造物は、基台２０８上に形成される。
【００２６】
粉末供給室２０２は、ベッド形成室２０１の隣に配置される。粉末供給室２０２は筒状であり、上下方向に昇降可能なピストン２０４を内部に備える。ピストン２０４上には、チタン合金の構造物の出発材料となる粉末粒子４０が積層される。ピストン２０４が上昇することにより、粉末供給室２０２の上部開口から粉末粒子４０が排出され、ベッド形成室２０１に供給される。
【００２７】
リコータ２０５は、粉末供給室２０２の上部開口の近傍に配置される。リコータ２０５は、図示しないモータにより特定方向（水平方向）に移動し、粉末供給室２０２及びベッド形成室２０１の間を往復する。図１では、リコータ２０５は、Ｘ方向に往復移動する。
【００２８】
リコータ２０５は、Ｘ方向に移動することにより、粉末供給室２０２から排出された粉末粒子４０を水平方向に移動させてベッド形成室２０１に供給する。ベッド形成室２０１内の造形テーブル２０３の基台２０８上に堆積された粉末粒子４０により、パウダーベッド（粉末床）２０６が形成される。リコータ２０５がＸ方向に移動することにより、粉末粒子４０が水平方向に移動し、パウダーベッド２０６の表面が平坦に整えられる。
【００２９】
なお、リコータ２０５に代えて、ローラを用いてもよい。ローラを用いた場合、粉末粒子４０に対してローラで任意に加圧しながら、パウダーベッド２０６を形成できる。
【００３０】
制御装置１０は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、メモリと、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤという）とを備える。ＨＤＤには、周知のＣＡＤ（Computer Aided Design）アプリケーションとＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）アプリケーションとが格納される。制御装置１０は、ＣＡＤアプリケーションを利用して、製造したい構造物の３次元形状データを作成する。
【００３１】
制御装置１０はさらに、ＣＡＭアプリケーションを利用して、３次元データに基づいて、加工条件データを作成する。積層造形法では、レーザー３０により形成される複数の凝固層が積層されてβ型チタン合金を含有する構造物が形成される。加工条件データは、各凝固層が形成されるときの加工条件を含む。つまり、加工条件データは、各凝固層（各パウダーベッド２０６）ごとに作成される。制御装置１０は、加工条件データに基づいてレーザー装置１４、レンズ系１５及びミラー１６を制御して、レーザー３０のエネルギー密度を規定する条件（出力Ｅ、走査速度Ｓ、走査間隔Ｐ及び照射位置）を調整する。
【００３２】
［製造方法の概要］
本実施形態では、積層造形法を用いてβ型チタン合金を含有する構造物を製造する。具体的には、本製造方法は、ベッド形成工程と、溶融工程とを交互に繰り返して、複数の凝固層が積層された上記構造物を形成する。ベッド形成工程は、構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成する。溶融工程は、高エネルギー熱源を走査してパウダーベッドを溶融して、β型チタン合金を含有する凝固層を形成する。
【００３３】
好ましくは、本製造方法では、β型チタン合金を含有する素材の結晶方位を制御することにより、構造物の弾性率を低下する。以下、この点について詳述する。
【００３４】
図２は、ＩＳＯ  ５８３２−１４（２００７）に規定されるβ型Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金の単結晶を用いて測定された結晶方位と弾性率との関係を示す図である。図２を参照して、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金では、結晶方位に応じて弾性率が異なる。具体的には、結晶方位＜１００＞の弾性率が最も低く４４．４ＧＰａであり、＜１００＞から＜１１１＞に向かうにしたがって弾性率が大きくなり、＜１１１＞では１２０ＧＰａ程度まで上昇する。そして、＜１１１＞から＜０１１＞に向かうにしたがって弾性率は徐々に低下し、＜０１１＞では８０ＧＰａ程度になる。
【００３５】
以上のとおり、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金では、＜１００＞方位の弾性率が最も低く、その値は生体骨の弾性率（１０〜４０ＧＰａ）に近い。他のβ型チタン合金も同様に、＜１００＞の弾性率は低い。したがって、生体骨にインプラントとしてβ型チタン合金を含有する構造物を利用する場合、応力遮蔽を抑制するためには、主応力が掛る方向が＜１００＞となるよう構造物を製造するのが好ましい。
【００３６】
そこで、本実施形態では、付加製造技術（３Ｄプリンター）の一種である、積層造形法を用いて、結晶方位を制御しつつβ型チタン合金を含有する構造物を製造する。積層造形法は、ベッド形成工程と溶融工程とを交互に繰り返し実施して、複数の凝固層が積層された構造物を製造する。ベッド形成工程では、構造物の出発材料となる粉末粒子を基台上に供給し、パウダーベッドを形成する。溶融工程では、高エネルギー熱源を走査してパウダーベッドを溶融しβ型チタン合金を含有する凝固層を形成する。
【００３７】
各溶融工程では、結晶方位を制御するために、高エネルギー熱源のエネルギー出力Ｅ（Ｗ）、走査速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）、走査間隔Ｐ（ｍｍ）、有効溶融池幅Ｍ（ｍｍ）が式（１）〜式（４）を満たすように、高エネルギー熱源を制御して、パウダーベッドを溶融する。
Ｅ＞２００  （１）
Ｓ＞６００  （２）
Ｅ／（Ｓ×Ｐ）≧２．５  （３）
０．４５≦Ｐ／Ｍ≦０．６０  （４）
ここで、有効溶融池幅Ｍとは、溶融工程において高エネルギー熱源を用いた１走査で形成され、縦断面が下に凸の放物線状の形状を有する凝固部分のうち、放物線状の形状の底部分の幅（ｍｍ）を意味する。有効溶融池幅Ｍについては後述する。
【００３８】
［式（１）〜式（３）について］
結晶方位の配向性は、溶融工程における出力Ｅ、走査速度Ｓ、走査間隔Ｐに依存する。図３は、後述の積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力Ｅ（Ｗ）及び走査速度Ｓ（ｍｍ／秒）と、測定方向における（１００）のロットゲーリングファクター（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ）＝Ｌ（１００）の値との関係を示す。図４は、後述の積層造形法により得られた、高エネルギー熱源の出力Ｅ（Ｗ）及び走査速度Ｓ（ｍｍ／秒）と、エネルギー密度Ｄの値と、測定方向における（１００）のロットゲーリングファクター（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ）＝Ｌ（００１）との関係を示す図である。ロットゲーリングファクターＬ（１００）が大きいほど（最大値は１）、（１００）の配向性が高くなる。
【００３９】
図３及び図４では、積層造形法によりＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金を製造した。このときの各溶融工程での高エネルギ−熱源の走査方向は、互いに直交していた（図１６（Ａ）参照）。また、図３及び図４において、走査間隔Ｐはいずれも０．１ｍｍであった。ロットゲーリングファクターの測定では、図１６のＤＥ方向を測定方向とした。
【００４０】
図３及び図４中の「○」印は、得られたチタン合金のロットゲーリングファクターＬ（１００）が０．５以上であることを示す。「◇」印は、得られたチタン合金のロットゲーリングファクターＬ（１００）が０．５未満であることを示す。図３中のグラフ中の印付近の数値は、ロットゲーリングファクターＬ（１００）の値であり、図４中のグラフ中の印付近の数値は、エネルギー密度Ｄの値である。ここで、エネルギー密度Ｄは、次の式で定義される。
Ｄ＝Ｅ／（Ｓ×Ｐ）
【００４１】
図３及び図４を参照して、高エネルギー熱源の出力Ｅ（Ｗ）、走査速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）、走査間隔Ｐ（ｍｍ）がそれぞれ、式（１）〜式（３）を満たす場合、ロットゲーリングファクターＬ（１００）が０．５以上となり、（１００）方位の配向性が高まる。
【００４２】
［式（４）について］
本製造方法ではさらに、溶融工程において、式（４）を満たす。
０．４５≦Ｐ／Ｍ≦０．６０  （４）
【００４３】
ここで、有効溶融池幅Ｍ（ｍｍ）は次のとおり定義される。図５Ａは、溶融工程において、高エネルギー熱源の１走査で形成された凝固部分の断面の模式図である。なお、簡単のため、各溶融工程での高エネルギー熱源の走査方向が互いに並行な場合（図１６（Ｂ）参照）の、走査方向と垂直な断面（縦断面）を示す。走査時において、高エネルギー熱源の強度は中心部ほど高い。そのため、図５Ａを参照して、形成される凝固部分３００の縦断形状は、下に凸の放物線状の形状を有し、中心部が最も深い。より具体的には、中心部が他の部分よりもより深く溶融されるため、放物線上に曲率の変化する部分（変曲点）Ｘ０が形成される。放物線上の変曲点のうち、底３００Ｂに最も近い変曲点Ｘ０間の幅方向の距離を、有効溶融池幅Ｍと定義する。
【００４４】
図５Ｂは、出力Ｅ＝３００Ｗ、走査速度Ｓ＝１０００ｍｍ／秒、走査間隔Ｐ＝０．１２ｍｍで積層造形法によりＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金の構造物を製造した場合の、構造物の最上面近傍の縦断面写真画像である。図５Ｂを参照して、図中の「Ｍ／２」は、１走査により形成された各凝固部分の有効溶融池幅Ｍの１／２の幅（Ｍ／２）を示す。
【００４５】
本実施形態では、有効溶融池幅Ｍを次のとおり求める。図５Ｂのような縦断面写真画像を作成する。作成された写真画像において、最上層の凝固層の２０個の凝固部分３００の有効溶融池幅（ｍｍ）を測定する。測定された値の平均を、その製造方法における有効溶融池幅Ｍ（ｍｍ）と定義する。
【００４６】
図６は後述の積層造形法により得られた、走査間隔Ｐの有効溶融池幅Ｍに対する比（＝Ｐ／Ｍ）と、測定方向における（１００）のロットゲーリングファクター（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ）＝Ｌ（１００）との関係を示す。図６を参照して、Ｐ／Ｍが増加するに従い、ロットゲーリングファクターＬ（１００）が増加する。そして、Ｐ／Ｍが０．４５以上になれば、ロットゲーリングファクターＬ（１００）が０．５以上になる。そして、Ｐ／Ｍが０．５３近傍でロットゲーリングファクターＬ（１００）がピークを示し、Ｐ／Ｍが０．５３を超えると、Ｐ／Ｍが増加するに従い、ロットゲーリングファクターＬ（１００）が低下し、Ｐ／Ｍが０．６を超えると、ロットゲーリングファクターＬ（１００）が０．５未満となる。
【００４７】
要するに、Ｐ／Ｍに対するロットゲーリングファクターＬ（１００）は上に凸の曲線となる。式（４）に示すとおり、０．４５≦Ｐ／Ｍ≦０．６０であれば、ロットゲーリングファクターＬ（１００）が０．５以上となり、（１００）方位への配向性が高まる。Ｐ／Ｍの好ましい下限は０．５０である。Ｐ／Ｍの好ましい上限は０．５５である。
【００４８】
有効溶融池幅Ｍを考慮する必要がある理由は、次のとおりと考えられる。カウンタＫでの溶融工程において、パウダーベッドの水平方向（幅方向）に走査間隔Ｐで走査を順次ずらしながらパウダーベッドを溶融する。このとき、前段の走査で形成された凝固部分と、走査間隔Ｐずらした次段の走査で形成された凝固部分との重複範囲が狭い場合（つまり、Ｐ／Ｍが大きすぎる場合）、次段の走査時において前段の走査で形成された凝固部分が溶けにくい。そのため、前段の走査で形成された凝固部分の結晶構造が次段の走査で形成された凝固部分に引き継がれにくい。一方、前段走査による凝固部分と、次段走査による凝固部分との重複範囲が広すぎる場合（つまり、Ｐ／Ｍが小さすぎる場合）、前段走査の凝固部分が過剰に溶融する。この場合、前段走査の凝固部分の結晶構造が次段走査の溶融時に消滅し、次段の凝固部分に引き継がれない。
【００４９】
Ｐ／Ｍが０．４５〜０．６０であれば、前段走査による凝固部分の結晶構造が、次段走査による凝固部分の結晶構造に引き継がれやすい、その結果、（１００）のロットゲーリングファクターＬ（１００）が大きくなりやすく、（１００）への配向性が高まる。
【００５０】
本製造方法は、上述の知見により完成したものである。以下、本製造方法を詳述する。
【００５１】
［製造方法の詳細］
図７は、本実施形態のβ型チタン合金を含有する構造物の製造方法の詳細を示すフロー図である。以下、β型チタン合金の具体例をＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金とし、構造物の具体例を生体骨用のインプラントとして説明する。しかしながら、本製造方法は、他のβ型チタン合金を含有する構造物及び他の構造物にも適用できる。
【００５２】
制御装置１０は初めに、ＣＡＤアプリケーションを用いて構造物の３次元データを作成する（Ｓ１）。作成された３次元データは制御装置１０内のメモリに格納される。続いて、制御装置１０はＣＡＭアプリケーションを用いて、３次元データに基づいて加工条件データを作成する（Ｓ２）。
【００５３】
加工条件データは、凝固層ごとに作成される。初めに、構造物（本例ではインプラント）を、予め設定された凝固層ＳＯｋ（ｋは自然数であり、最大数はｋｍａｘ）の積層数ｋｍａｘ（個）でスライスした場合を想定する。このとき、構造物がスライスされて形成される複数の凝固層ＳＯｋの各々の形状が異なる場合がある。したがって、加工条件データは、各凝固層ＳＯｋごとに製造される。これにより、所望の３次元形状の構造物が製造される。
【００５４】
第ｋ層（ｋ＝１〜ｋｍａｘ）の凝固層ＳＯｋの加工条件データは次の方法で作成される。ここで、第１層は最下層であり、第ｋｍａｘ層は最上層である。
【００５５】
制御装置１０はまず、３次元データに基づいて、第ｋ層における凝固層ＳＯｋの断面形状データを作成する。続いて、制御装置１０は、断面形状データに基づいて、加工条件データを作成する。加工条件データは、領域条件とレーザー条件とを含む。制御装置１０は、断面形状データに基づいて、レーザー３０を照射する領域を決定し、領域条件として定義する。続いて、凝固層を形成するために必要なエネルギー密度（Ｊ／ｍｍ2）に応じて、レーザー条件（レーザー３０の出力Ｅ、走査速度Ｓ、走査間隔Ｐ）を決定する。レーザー条件に関する情報は、粉末粒子４０の組成に対応して、制御装置１０内のＨＤＤに予め格納されている。以上の工程により、各層（凝固層ＳＯｋ）における加工条件データが作成される。作成された複数の加工条件データは、制御装置１０内のメモリに格納される。
【００５６】
続いて、真空ポンプを用いて、チャンバ２０を真空に引く（Ｓ３）。チャンバ２０内が真空になった後、造形工程を実施して、構造物を形成する（Ｓ４：造形工程）。
【００５７】
［造形工程（Ｓ４）］
図８は、図７中の混合層形成工程（Ｓ４）の詳細を示すフロー図である。図８を参照して、制御装置１０は初めに、カウンタｋを「１」に設定し（Ｓ４１）、最下層となる第１層の凝固層ＳＯ１の作製を開始する。
【００５８】
チャンバ２０内に不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウム等）を供給し、造形テーブル２０３上に配置された基台２０８を予熱する。なお、予熱時において、真空に引いた後、不活性ガスを供給することなく基台２０８を予熱してもよい。また、真空にせずに、不活性ガスを供給した後、基台２０８を予熱してもよい。基台２０８の予熱をしなくてもよい。
【００５９】
続いて、制御装置１０は、パウダーベッド２０６を形成する（Ｓ４２：ベッド形成工程）。制御装置１０は、粉末供給室２０２のピストン２０４を上昇して、チタン合金を含有する構造物の出発材料となる粉末粒子４０を排出するよう指示する。粉末供給室２０２は、制御装置１０からの指示に応じて、粉末粒子４０を排出する。このとき、図９に示すとおり、リコータ２０５がＸ方向に移動する。これにより、排出された粉末粒子４０がＸ方向に移動して、ベッド形成室２０１に供給される。粉末粒子は基台２０８及び造形テーブル２０３上に堆積し、パウダーベッド２０６が形成される。
【００６０】
リコータ２０５はさらに、基台２０８上のパウダーベッド２０６の表面上を水平（Ｘ方向）に移動する。このとき、粉末粒子４０が水平方向に移動する。最下層のパウダーベッド２０６の厚さはたとえば、５〜１０００μｍ程度である。
【００６１】
次に、制御装置１０は、パウダーベッド２０６を予熱する（Ｓ４３）。種々の方法で予熱することができる。たとえば、パウダーベッド２０６にレーザー３０を照射して予熱してもよいし、造形テーブル２０３を昇温することによりパウダーベッド２０６を予熱してもよい。ベッド形成室２０１内の粉末粒子４０をヒータで加熱することにより、パウダーベッド２０６を予熱してもよい。
【００６２】
次に、レーザー３０によりパウダーベッド２０６を走査して、パウダーベッド２０６を溶融し、第１層の凝固層ＳＯ１を形成する（Ｓ４４：溶融工程）。制御装置１０は、ステップＳ２で作成された複数の加工条件データのうち、第１層の凝固層ＳＯ１の加工条件データをメモリから読み出す。読み出された加工条件データに基づいて、制御装置１０はレーザー３０を制御する。
【００６３】
具体的には、制御装置１０は、加工条件データ内の領域条件に基づいて、パウダーベッド２０６の所定の領域にレーザー３０を照射する。制御装置１０はさらに、加工条件データ内のレーザー条件に基づいて、レーザー３０の出力Ｅ（Ｗ）、走査速度Ｓ（ｍｍ／秒）及び走査間隔Ｐ（ｍｍ）を調整する。このとき、出力Ｅ、走査速度Ｓ、走査間隔Ｐ、及び、有効溶融池幅Ｍ（ｍｍ）が式（１）〜式（４）を満たす。
【００６４】
溶融工程（Ｓ４４）において、パウダーベッド２０６だけでなく、基台２０８の表層部分も溶融してもよい。上記レーザー条件でレーザー３０を１方向（Ｘ方向）走査してパウダーベッド２０６を溶融し、図１０に示すように、凝固層ＳＯ１を形成する。このとき、パウダーベッド２０６のうち、凝固層ＳＯ１以外の領域に配置された粉末粒子４０は、溶融しておらず、焼結もしていない。
【００６５】
第１層の凝固層ＳＯ１が形成された後、制御装置１０は、カウンタｋがｋｍａｘか否かを判断する（Ｓ４５）。ここでは、カウンタｋ＝１であるため（Ｓ４５でＮＯ）、制御装置１０はカウンタｋをインクリメントしてｋ＋１＝２とする（Ｓ４６）。そして、制御装置１０は、第２層の凝固層ＳＯ２の作製を準備する。
【００６６】
制御装置１０は、造形テーブル２０３を積層ピッチΔｈだけ降下する（Ｓ４７）。その結果、図１１に示すように、パウダーベッド２０６の表面が、図１０と比較して、Δｈだけ低下する。
【００６７】
ステップＳ４７が完了した後、ステップＳ４２に戻る。このとき、制御装置１０は、凝固層ＳＯ１が形成されたパウダーベッド２０６上に、新たなパウダーベッド２０６を形成する（Ｓ４２：ベッド形成工程）。具体的には、制御装置１０の指示に応じて、粉末供給室２０２内のピストン２０４が上昇し、粉末粒子４０が再び排出される。このとき、図１２に示すように、リコータ２０５がＸ方向に移動する。そのため、粉末粒子４０はＸ方向に移動して、厚さΔｈを有する新たなパウダーベッド２０６を形成する。新たなパウダーベッド２０６の表面は、リコータ２０５により平坦に整えられる。
【００６８】
続いて、制御装置１０は、パウダーベッド２０６を予熱し（Ｓ４３）、第２層の凝固層ＳＯ２を形成する（Ｓ４４：溶融工程）。このとき、制御装置１０は、第ｋ層（ここではｋ＝２）の加工条件データに基づいて、式（１）〜式（４）を満たす条件でレーザー３０をパウダーベッド２０６に照射する。その結果、図１３に示すとおり、レーザー３０が照射された領域内のパウダーベッド２０６が溶融して凝固し、凝固層ＳＯ２が形成される。以上の工程により、凝固層ＳＯ２は凝固層ＳＯ１上に積層される。
【００６９】
続いて、ステップＳ４５に進み、ｋ＝ｋｍａｘとなるまで、つまり、最上層の凝固層ＳＯｋｍａｘが形成されるまで、制御装置１０は、ステップＳ４２〜ステップＳ４７までの動作を繰り返す。つまり、制御装置１０は、図１４に示すように所望の形状の構造物ＩＣが完成するまで、ベッド形成工程（Ｓ４２）及び溶融工程（Ｓ４４）を繰り返す。なお、凝固層ＳＯｋの形状は、下層の凝固層ＳＯｋ−１の形状に拘束されず、凝固層ＳＯｋ−１よりも大きな形状にすることもできるし、小さな形状にすることもできる。さらに、凝固層ＳＯｋの形状に１又は複数の孔を形成できる。この場合、構造物は、閉空間を有したり、複雑な孔形状を有する等、通常の切削加工では得られない形状を有することができる。
【００７０】
以上のとおり、積層造形法では、構造物を構成する各凝固層ＳＯｋの形状を自由に形成できる。そのため、特定の結晶面の配向度を高めながら構造物ＩＣを多孔質な構造とすることができる。そのため、結晶面の配向度、及び、構造の多孔質化の両面から、β型チタン合金を含有する構造物ＩＣの弾性率を下げることができる。
【００７１】
本実施形態ではさらに、溶融工程において高エネルギー熱源であるレーザー３０が式（１）〜式（４）を満たす。そのため、製造されたβ型チタン合金を含有する構造物ＩＣにおいて、（１００）への配向性が高まる。そのため、構造物ＩＣの弾性率をさらに低下することができ、生体骨の弾性率に近づけることができる。
【００７２】
以上の製造工程により、β型チタン合金を含有する構造物ＩＣが完成する。完成された構造物はチャンバ２０から取り出され、基台から切断される（Ｓ５）。
図１５Ａは、本実施形態の製造方法で製造されたＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金の構造物の写真画像であり、図１５Ｂは、図１５Ａと異なる、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金の他の構造物の写真画像である。本製造方法では、図１５Ａのように、製造された構造物に複数の貫通孔を形成することもできるし、図１５Ｂに示すように、格子状の構造物を製造することもできる。また、構造物ＩＣがインプラントである場合、ＣＡＤモデルを患者骨格に適合させて作成することで、ネットシェイプの製品を提供できる。
【００７３】
［各溶融工程での高エネルギー源の走査方向について］
図１６に示すとおり、各凝固層ＳＯｋの溶融工程（Ｓ４４）において、高エネルギー源であるレーザー３０の走査方向ＳＤｋは、下層の凝固層ＳＯｋ−１を形成するときの走査方向ＳＤｋ−１と略直角に交差してもよいし（図１６（Ａ））、並行してもよい（図１６（Ｂ））。ここで、並行とは、幾何学における平行及び平行から±１０°以内の範囲を意味する。要するに、走査方向は特に限定されない。
【００７４】
ただし、レーザー３０の走査方向を調整することにより、凝固層の結晶配向（集合組織）を制御することができる。したがって、レーザー３０の走査方向を調整すれば、たとえば、インプラントとして利用される構造物の弾性率の方位による組合せ（一方向にのみ低弾性率、二方向に低弾性率等）を調整したり、構造物中で種々の弾性率を有する部位をモザイク状に配置し、構造物全体の弾性率を調整したりすることができる。
【００７５】
レーザー３０の走査方向の調整の一例は次のとおりである。たとえば、凝固層ＳＯｋでのレーザー３０の走査方向ＳＤｋを下層の凝固層ＳＯｋ−１での走査方向ＳＤｋ−１に対して、図１６（Ａ）に示すとおり、互いに直交としたり、図１６（Ｂ）に示すとおり、互いに並行とする。この場合、走査方向に対する特定の結晶面の配向度を高めることができ、構造物の弾性率を調整できる。
【００７６】
図１７（Ａ）、（Ｂ）は、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金を図１６（Ａ）及び（Ｂ）の走査方向で製造した場合の、図１６のＤＥ方向から見た（１００）と（０１１）の極点図である。図１７では、構造物の製造工程（溶融工程）中のレーザー出力を３００Ｗ、走査間隔を０．１ｍｍ、走査速度を１０００ｍｍ／ｓとして、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金を製造した。図１７（Ａ）は、走査方向が図１６（Ａ）の場合の結果であり、図１７（Ｂ）は、走査方向が図１６（Ｂ）の場合の結果である。
【００７７】
図１７（Ａ）を参照して、凝固層ＳＯｋでのレーザー３０の走査方向ＳＤｋを下層の凝固層ＳＯｋ−１での走査方向ＳＤｋ−１に対して互いに直交させた場合（図１６（Ａ））、２つの走査方向及び造形方向（図１６の造形物の高さ方向）のいずれにおいても、結晶面（１００）が優先配向している。一方、図１７（Ｂ）を参照して、凝固層ＳＯｋでのレーザー３０の走査方向ＳＤｋを下層の凝固層ＳＯｋ−１での走査方向ＳＤｋ−１に対して互いに並行とした場合（図１６（Ｂ））、走査方向には結晶面（１００）が、造形方向には（０１１）がそれぞれ優先配向している。
【００７８】
以上のとおり、走査方向を調整することにより、β型チタン合金を含有する構造物に種々の結晶配向性を与えることができる。結晶配向性（集合組織）は、図１７（Ａ）、（Ｂ）に限定されない。走査方向を適宜調整することにより、図１７（Ａ）、（Ｂ）に示す２種類以上の複数の集合組織を形成できる。
【００７９】
［他の実施形態］
上述の製造方法は、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金だけでなく、他のチタン合金の構造物にも広く適用できる。他のチタン合金はたとえば、ＡＳＴＭ  Ｆ１３６−１３（２０１３）に規定されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ（Ｅｘｔｒａ  Ｌｏｗ  Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｓ）合金、ＩＳＯ  ５８３２−１１（２０１４）に規定されるＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金、ＪＩＳ  Ｔ７０４１−４（２００９）に規定されるＴｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ合金からなる群から選択される１種以上である。
【００８０】
さらに、上述の製造方法で製造される構造物は、β型チタン合金からなる必要はなく、β型チタン合金を含有していればよい。構造物がβ型チタン合金をある程度含有していれば、上記製造方法の効果がより有効に発揮される。構造物が体積％で３０％以上のチタン合金を含有する場合、上記効果は特に有効に発揮される。好ましくは、構造物のチタン合金の含有量は体積％で５０％以上であり、さらに好ましくは６０％以上であり、さらに好ましくは７０％以上である。構造物のβ型チタン合金の含有量は実質的に１００％であってもよい。
【００８１】
上述の製造方法では、β型チタン合金を含有する単結晶を製造することもできるし、柱状晶材を製造することもできるし、等軸晶材を製造することもできる。
【００８２】
上述の製造方法では、ステップＳ４３（図８参照）において、予熱を実施する。しかしながら、予熱を実施しなくてもよい。
【００８３】
上述の製造方法では、一例として、積層造形法に属する粉末床溶融結合法のうち、熱源をレーザーとするレーザー積層造形法を利用する。しかしながら、上記製造方法は、熱源を電子ビームとする電子ビーム積層造形法を利用してもよい。
【００８４】
上記製造方法で製造される構造物は、生体用のインプラントとして広く利用できる。本実施形態の製造方法で製造される構造物はたとえば、生体骨用のインプラント、人工関節等に適用できる。
【００８５】
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００８６】
４０  粉末粒子
２０６  パウダーベッド
２０８  基台
ＩＣ  構造物
ＳＯｋ  凝固層
【図１】
0006767699.tif 000002
【図２】
0006767699.tif 000003
【図３】
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【図４】
0006767699.tif 000005
【図５Ａ】
0006767699.tif 000006
【図５Ｂ】
0006767699.tif 000007
【図６】
0006767699.tif 000008
【図７】
0006767699.tif 000009
【図８】
0006767699.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0006767699.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0006767699.tif 000016
【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
0006767699.tif 000018
【図１６】
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【図１７】
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