(57)【要約】【課題】金属アルミナイド等の金属間化合物は、加工が困難で多くの工程とエネルギを消費している。組成組織の最適化や加工方法が確立されておらず，煩雑な工程と時間・エネルギ資源を要し，高機能部品の開発・試作を考慮すると即時的・経済的とはいえず，特に，金属間化合物による任意の複雑形状体を製作する方法は実用されていない。【解決手段】金属基材または金属細線をマイクロアークで溶融した微小な溶融池に，異なる材質の金属細線を溶解添加し、数１０μｍ〜数ｍｍ域で複合化合物や合金を生成する。燃焼合成反応では，ＮｉＡｌ等の金属間化合物が有する発熱反応を利用するので，短時間で高温強度・耐食性に優れた高機能材を低コストで省エネルギ的に製作できる。三次元ＣＡＤデータを利用する積層造形法では，溶融ビードを連続的に形成しつつ高融点材料の自由造形を可能とし，三次元的に複雑な任意形状の金属部品を製作する。【選択図】  図６
2005054197.tif 000002
【特許請求の範囲】
本発明は，金属，合金，金属間化合物，もしくは，これらの組成を含む複合体化合物から成る微小な点状の溶融池が凝固して生じる点ビードを最小構成基本単位とし，点ビード，または，点ビード同士を相互に線状に接合させてできる線ビードをＸＹ平面で順次に接合し，その後，ＸＹ平面上の点ビード，または，線ビードを連接してできる面ビードの層をＺ方向に堆積することにより，任意形状の三次元体を製作する方法，もしくは，三次元体の表面に皮膜を堆積する方法，および，装置に関する。
【請求項１】
微小な点状の溶融池が凝固して生じる点ビードを最小構成基本単位とし，点ビードまたは点ビード同士を相互に線状に接合させてできる線ビードをＸＹ平面で順次に接合し，その後，ＸＹ平面上の点ビード，または，線ビード同士を連接してできる面ビードの層をＺ方向に堆積することを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項２】
請求項１の溶融池において，放電電弧，もしくは，レーザビーム，もしくは，電子ビームにより基材を溶融し溶融池を形成する第一の工程と，第一の工程により形成された溶融池に金属細線を挿入することにより金属細線を溶融する第二の工程から構成されることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項３】
請求項２の第二の工程において，第一の工程により形成された溶融池に第一の金属細線と第二の金属細線を時間的に同時もしくは順次に挿入することにより，第一の金属細線と第二の金属細線を第一の工程で形成された溶融池に融合する第二の工程から構成されることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項４】
請求項２の第一の工程により基材から形成される溶融池に，基材と異なる材料の金属細線を添加溶解することにより，基材の溶融池と金属細線の接触による反応で生成物を生じるような金属細線の材料を選定した第一もしくは第二の工程から構成されることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項５】
請求項４における反応生成物の作用で自己発熱反応を生じ，隣接する点ビード要素が相互に溶融，または，凝着し，もしくは，上下に重なる堆積層が相互に溶融，または，凝着することを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項６】
請求項２〜請求項４において，基材が第一の物質から構成され，第一の金属細線が第二の物質から構成され，第二の金属細線が第三の物質から構成され，請求項５における反応生成物が第４の物質から構成されることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項７】
請求項４の第二の工程に関し，異なる材質の第一の金属細線と第二の金属細線を用いる場合において，基材の溶融池に添加溶解ないし融合させる第一および第二の金属細線の量を，Ｘ，Ｙ，Ｚ其々の方向における溶融池の位置に対応して，段階的または連続的に変化させることにより，隣接する溶融池の相対的特性において溶融池の位置に応じた傾斜性を持たせたことを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項８】
請求項２〜請求項４における基材および金属細線が，金属，合金，金属間化合物，もしくは，これらの組成を含む複合体化合物から成ることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項９】
請求項２〜請求項４ないし請求項６において，基材が，ニッケル，チタン，アルミニウム，バナジウム，モリブデン，コバルト，鉄，タングステン，クロム，ニオブ，タンタル，ジルコニウム，ハフニウム，イットリウム，マグネシウム，カルシウム，バリウム，ガリウム，ゲルマニウム，タリウム，インジウム，白金，金，銀，亜鉛，錫，鉛，ビスマス，ベリリウム，カドミウム，ホロニウム，イリジウム，パラジウム，レニウム，ロジウム，珪素など，もしくは，アルミナ，ジルコニア，マグネシア，イットリア，ムライト，チタン酸バリウムなどの酸化物系セラミックス，もしくは，炭化ケイ素，炭化ホウ素，炭化チタン，炭化ハフニウム，炭化ジルコニウム，炭化タングステン，炭化バナジウム，炭化ニオブなどの炭化物，または，窒化ケイ素，窒化ホウ素，窒化アルミニウム，窒化チタン，窒化ハフニウム，窒化ジルコニウム，窒化タリウム，窒化バナジウム，窒化ニオブなどの窒化物，または，ホウ化チタン，ホウ化ジルコニウム，ホウ化ハフニウム，ホウ化ニオブなどの硼化物などの非酸化物系セラミックス，のいずれかから選択された，少なくとも一種の成分を含むことを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１０】
請求項２〜請求項４ないし請求項６において，第一の金属細線および第二の金属細線が，チタン，ニッケル，アルミニウム，バナジウム，モリブデン，コバルト，鉄，タングステン，クロム，ニオブ，タンタル，ジルコニウム，ハフニウム，スカンジウム，イットリウム，マグネシウム，カルシウム，バリウム，ガリウム，ゲルマニウム，タリウム，インジウム，白金，金，銀，亜鉛，錫，鉛，ビスマス，ベリリウム，カドミウム，ホロニウム，イリジウム，パラジウム，レニウム，ロジウム，珪素，炭素，硼素，酸素，窒素などから選択された，少なくとも一種の成分を含むことを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１１】
請求項４〜請求項６に記載の反応による生成物が金属間化合物であり，チタン，ニッケル，アルミニウム，バナジウム，モリブデン，コバルト，鉄，タングステン，クロム，ニオブ，タンタル，ジルコニウム，ハフニウム，スカンジウム，イットリウム，マグネシウム，カルシウム，バリウム，ガリウム，ゲルマニウム，タリウム，インジウム，白金，金，銀，亜鉛，錫，鉛，ビスマス，ベリリウム，カドミウム，ホロニウム，イリジウム，パラジウム，レニウム，ロジウム，珪素，炭素，硼素，酸素，窒素などから選択された，少なくとも二種の成分を含むことを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１２】
請求項１〜請求項４に記載の溶融池が１０μｍ〜１０ｍｍの範囲の直径を有することを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１３】
請求項１〜請求項４に記載の金属細線が１０μｍ〜１ｍｍの直径の範囲にあること特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１４】
請求項２の基材を載置する造形台がＸＹ方向の任意の位置に移動可能であり，請求項２の電弧を形成する溶融池形成機構部がＺ方向の任意の位置に移動可能であることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１５】
請求項２における第一の工程と第二の工程が，不活性ガスまたは反応性ガスから成るシールドガスの雰囲気内で行われることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１６】
請求項２における第一の工程と第二の工程が，ＣＣＤカメラ等を介して得られる情報をプログラム等で計算制御する電子計算機等により，遠方で監視，もしくは，遠隔操作できるようにしたことを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１７】
請求項１４における，造形台もしくは溶融池形成機構部の位置制御が，ＣＡＤから出力される三次元座標の数値データに基づいて行われることを特徴とする，任意形状の三次元体を製作する方法，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する方法。
【請求項１８】
請求項１〜請求項１７に記載の，任意形状の三次元体を製作する装置，および，三次元体の表面に皮膜を三次元的に堆積する装置。
【請求項１９】
ＸＹ平面において面ビードの層を堆積する毎に，任意の層の表面に対して切削，研削，研磨，または，酸洗などの処理を行う工程を設けていることを特徴とする三次元体の製作方法，および，これらの処理を行う機構を備えていることを特徴とする前記請求項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
次世代の自動車・船舶・航空宇宙機器等の輸送機関あるいはエネルギプラントの熱機関などに用いる構造材料として，軽く耐熱性に優れた材料の開発が不可欠であるが，高強度耐熱材料として期待される金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物，例えば，アルミナイド系金属間化合物はこのような条件に適合する素材であり，組成・組織の最適化・高性能化や所望の構造体を得るための加工方法など実用化に向けた研究が各国で行われている。本発明では，例えば，硝子・セラミックス・プラスチックス・金属部品等の金型，通気孔付きガスタービンブレード，耐熱ノズル，高性能金属部品，耐食・耐酸化コーティングなどの，任意の複雑な形状部品を金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物から直接に製作できる技術を提供しようとしており，また，同時に組成・金属組織の最適化，ならびに強化繊維などによる複合材の創製による新規な材料を提供しようとするものである。本発明で採用しようとしている金属間化合物の燃焼合成法（Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ＳｙｎｔｈｅｓｉｓもしくはＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）は高い反応熱を伴って化合物の生成反応が短時間に自発的に進行するプロセスで，高融点セラミックスや金属間化合物が容易に合成できる特徴を有し，原理が１９６７年に旧ソ連のメルジャーノフ等によって発見されて以来，理論的研究と応用への開発が進められている（日本金属学会会報第３２巻第１２号８４５頁）。
本発明による技術の応用分野を詳述すれば，高温耐食材料，生体材料，スポーツ用品，熱間加工用工具鋼，などがある。より具体的には，ガスタービンやジェットエンジンのブレードやノズルなどの高温耐食材料である。近年，燃料中に含まれる硫黄等の有害成分の濃度が高まり社会的問題になっているが，化石燃料の消費増加による資源の低品位化が原因と考えられる。一方で，高効率化のために入口ガス温度の高温化が必要であるが，高温における耐食性を向上するために，ニッケル基超合金の耐食被覆が必要である。本発明により，アルミナイドやシリサイドおよびそれらを母相とする合金を被覆できる。チタンなどの生体材料では，耐食性や生体親和性が良好であるが，一方で耐摩耗性が劣る。生体材料では磨耗微粉が生体組織を刺激して炎症の原因になることが問題になっている。それゆえ，関節などの摺動部へのチタンの適用が遅れている。本発明によれば，チタン表面を窒化して硬化し耐摩耗性を付与できる。これにより，人工関節などのインプラント式生体材料の開発が可能となる。また，チタンなどを用いたスポーツ用品においては，厚肉表面窒化により高反発係数のゴルフクラブなどの開発が可能である。さらに，熱間鍛造用金型や熱間圧延ロールなどに使われる熱間加工用工具鋼などの表面改質にも適用できる。工具は，高温と高応力の環境下で使用されるため寿命が短い。工具を長寿命化できればコスト削減に寄与できる。本発明によれば，工具鋼表面に窒化物あるいは炭化物を分散させ表面強度を増強できる。
本発明の原理の一部を構成する積層造形法は，三次元ＣＡＤの応用分野として１９８０年代末に我国で考案され米国で実用化された最近の手法であり，主に樹脂分野における製品試作・開発に盛んに利用されるようになっている。この分野は北米が先行しているが，我国でも三次元ＣＡＤの普及に伴い近年飛躍的な市場の成長が見受けられ，各種成形型のマスターモデル，デザインモデル，胸像や地図等の三次元コピー，医療用モデル，回転翼などの小ロット複雑形状部品などを短期間で作製する技術として普及しつつある。造形手法として光硬化性樹脂を用いる光造形法，紙のシートを用いる薄板積層法，熱可塑性樹脂をフィラメント状に溶融させるかインクジェットで噴霧させる溶融物堆積法，高分子樹脂・セラミックス・金属などの粉末を用いる粉末固着法などが実用化されている。樹脂，紙等で作られた造形物は高温で使用することは難しく強度も充分ではない。セラミックスや金属製は，多孔質の物が多く強度が低いため用途が限定されているのが現状である。
【従来の技術】
金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物による製品は鋳造法や塑性加工法や機械加工法により製作されているが，加工が困難であるという材質の有する特性から多くの工程とエネルギを消費している。すなはち，従来，原料・素材となる粉末や化合物としての組成・組織の改質や，溶解鋳造・鍛造・延伸などの塑性加工法を応用する開発が主に行われてきているが，所望の構造体を得るための加工方法などが確立されていない。また，煩雑な工程と時間・エネルギ資源を要し，最終製品となる高機能部品の開発・試作を考慮すると即時的・経済的であるとはいえず，金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物による任意の複雑形状体を製作する技術・方法は未だ実用化されていない。さらに，金属材料表面に耐食性や耐摩耗性を付与する目的で，金属，合金，金属間化合物などの被覆が行われるが，被覆を簡便に得る原理・方法は未だ確立されていない。
とりわけ，金属間化合物には高い生成エネルギを有する組成があり，化合時に発熱反応を伴うことにより合成反応が進行するもので，高温での外部加熱を必要としない省エネルギープロセスであるが，反応伝播，温度，組織の制御が難しく，耐熱性が必要な部品の実用化への課題は多く残されている。金属間化合物の従来の加工方法には，拡散法，溶射法，燃焼合成法などがあり，例えば，ＮｉＡｌやＴｉＡｌなどの金属間化合物は，８００℃〜１０００℃で使用できる高温材料としてエンジン部品や宇宙航空機機体部品などへの応用を目指した開発が行われているが，優れた特性がありながら成形加工に必要な延性が得られず実用化が阻まれている。
一つに，拡散法は，基材金属と反応して金属間化合物を作り得る別種の金属を基材表面に蒸着するなどした後に高温に加熱保持し，基材表面に反応層を形成するものである。拡散法では，拡散という超低速の物質移動現象を利用するため，皮膜厚さの制御が容易であるという長所を持つ反面，被覆の形成に要する時間が数時間から数十時間と極めて長いという短所を持ち，達成できる被覆厚さは数１０ミクロン以下と薄いものに限られる。また，高温中で処理するため基材に与える影響も無視できない。
二つに，溶射法は，特定の元素を含む合金層を基材に減圧プラズマ溶射により堆積した上に，さらにアルミを溶射しアルミの発熱を伴う冶金的反応によって金属間化合物の被覆を形成する方法である。直接に金属間化合物を高温で溶融する方法に比較して，相対的に低い温度と短い時間で発熱反応を引き起こすことがでるので，多大のエネルギを消費しなくてもよい利点があるが，プラズマ・電気アーク・レーザなどの大型の熱源を必要とする。元来，溶射法では，被覆と基材の密着性や，溶射時の雰囲気ガスの巻き込みにより被覆内に気孔を発生しやすいという問題がある。また，本例の方法で形成される被覆の厚さは，溶射の施工性・経済性などの理由から合金層とアルミ層を併せても数１０ミクロンから数１００ミクロン程度であり，形成される被覆の不均質・脆弱化などにより亀裂や局部剥離を生じる懸念がある。
三つに，燃焼合成法は，金属間化合物を構成する異種金属同士の混合圧粉体を基材表面に置き，加圧下で加熱することにより燃焼合成反応を起こして金属間化合物を生成し，同時にこれを基材に接合する方法である。燃焼合成法では自己発熱反応を利用するため，被覆層の合成と同時に基材への接合を短時間で行えるという長所を持つ反面，合成時の発熱と基材への伝熱のバランスから数ミリ以上という厚い被覆に限られる。
なお，従来の燃焼合成法では，異種金属を混合して圧粉体として用いるので，異種金属がともに同じ温度に加熱される。それゆえ，一方の金属の溶融温度が自動的に反応開始温度となり，反応開始温度，ひいては反応による発熱温度，基材の溶融深さを制御することができず，被覆層が薄い場合には，接合強度を維持・向上できないこともある。このように，金属間化合物による被覆は，拡散法，溶射法，燃焼合成法などにより形成されるが，極めて加工が困難であるという材質の有する特性から，多くの工程とエネルギを消費している。そのため，少ない消費エネルギで短時間内に，低コストで被覆部材，例えば，肉盛り溶接部材など，を得ることができない。
【発明が解決しようとする課題】
本発明の方法では，数１０ミクロンから数ミリ厚さの被覆が短時間で行え，また拡散法における蒸着，溶射法における前駆層の堆積工程，燃焼合成法における混合圧粉体作製などの前工程が不要であり，さらにコンピュータで微細に制御できるＣＡＤ／ＣＡＭシステムの利用により基材表面上に自在な被覆が自動的に行える。また，使用する熱源もピンポイントウェルダ等の精密アーク溶接機に用いる小型電源などの比較的に小容量のものでよく省エネルギ的な手段を提供することが可能である。
本発明では，金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物による最終製品段階の部品の製作に適用できる新規な三次元造形方法を提供するものである。
本発明は，組成・組織を最適化した金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物の創製に加えて，高周波高速スイッチング電源により数１０μｍ〜数ｍｍ域の微小領域で金属間化合物の肉盛ビードを連続的に生成し，光造形法に代表される三次元ＣＡＤのデータを利用する積層造形原理の応用により，既存の工法では製作が困難な緻密な高融点材料からなる任意の三次元複雑形状体を迅速，かつ，省エネルギ的に製作する方法を提供する。これにより，従来の鋳・鍛造，延伸などの加工法や冶金的手法における煩雑な工程を短縮し，少ない時間と消費エネルギで最終製品となる高機能部品を経済的に製作する。
【課題を解決するための手段】
金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物の合成には，溶製法や燃焼合成法がある。本発明が採用しようとする技術は，一つは燃焼合成反応の原理によるものであり，一つは遂次型積層造形法の応用を複合化した手法であることを特徴とする領域に属する。金属の燃焼合成反応では，材料自体の発熱反応を有効に利用するので少ない消費エネルギと短時間で製作できる利点があり低コストの高機能材を提供できることに特徴がある。
燃焼合成法による金属間化合物には，１００ｋＪ／ｍｏｌ前後の高い生成熱を有する組成が含まれ，化合時に１５００℃〜２０００℃の強い発熱反応を伴うことにより自発的に合成反応が進行するので，高温での外部加熱の必要が少ない比較的に省エネルギなプロセスとして研究開発が国内外で行われているものの，反応伝播，温度，組織の制御が難しく，耐熱型が必要など実用化への課題は多く残されている。
ここに提案している方法は，金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物を，高周波スイッチング電源で発生させるマイクロアークにより，数１０μｍ〜数ｍｍ域の微小領域で溶融もしくは燃焼合成しつつ三次元的に自由造形するところに特徴があり，既存の工法では不可能な高融点材料の緻密な自由造形を可能とし，また材料的見地からすれば，極めて加工が困難な金属間化合物による複雑任意形状の部品を省エネルギ的に果すところに，従来の手法や冶金的手法と異なる。
すなわち，例えば，ＮｉＡｌやＴｉＡｌ等の金属間化合物が有する高い生成熱と三次元自由造形法を応用し，高温強度や耐食性を有するが加工が困難な金属間化合物の三次元体を実用的に創成する装置と金属化合物の生成プロセスを提供する。
また，本発明ではマイクロアークという外部熱源を用いるので，ＮｂＡｌ３（４０ｋＪ／ｍｏｌ）のように低い生成エネルギを持つ金属間化合物であっても，その金属間化合物の合成・造形や被覆および接合ができるという特徴を有する。
本発明では，微小タングステン電極と基材の間で発生させるマイクロアークにより基材表面を局部的に溶融し，そこに複数の金属細線を供給することにより，表面合金化を実行できる。このとき，酸化防止のためにアルゴン等の不活性ガスをシールドガスとして用いるが，これを窒素ガスや炭酸ガスに替えると，窒化や炭化による表面改質も実行できる。
例えば，タングステン電極を通してパルス状の放電電流とパルス印加時間を種々に変化させるとき，１５ミリ秒の単一電流パルスをニッケル基板に放電することにより，直径が数１０μｍ〜数百μｍで深さが数１０μｍに溶融したニッケルの溶融池に，３０〜１００μｍ程度のアルミニウム金属細線を，ニッケルとアルミニウムが等しいモル比率で挿入混合させると，アルミニウム金属細線と反応溶融池の燃焼合成反応を生じ，粒状の金属間化合物を生成する。この方法では，毎秒時間当たり，数１０〜数１００個の点状の溶融池を形成することができる。
また，金属細線としてアルミニウムを用いる場合，反応生成物の横位置に新たなニッケル基材を溶融させ，そこにアルミニウムの金属細線を挿入溶融させる方法により，ＮｉＡｌ反応生成物同士を凝着させることができる。さらに，第一の金属細線としてニッケルを，第二の金属細線としてアルミニウムを用いる場合，ＮｉＡｌ反応生成物凝着体の上に新たにニッケルの金属細線をマイクロアークで溶融させ，そこにアルミニウムの金属細線を追加挿入し溶解混合させるＮｉＡｌ反応生成物凝着体の積み上げ凝着の方法において，ＮｉＡｌ反応生成物同士の，隣接方向および上下方向のいずれもが凝着する。
装置の動作原理は，例えば計算機制御により，溶融したニッケル池にアルミニウム金属細線を挿入し溶融アルミニウムによるＮｉＡｌ要素の合成と隣接するＮｉＡｌ要素同士の凝着を行い２次元的なＮｉＡｌの線ビードを形成する。次に，既に形成されているＮｉＡｌ線ビードの任意の点を電弧により再溶解し，ＮｉＡｌの反応溶融池の上にニッケルとアルミニウムの金属細線を其々挿入し，ＮｉＡｌ要素の合成と隣接するＮｉＡｌ要素同士の凝着を行いながら下層のＮｉＡｌ要素同士とも凝着を行い，順次三次元的に積層することで任意形状のＮｉＡｌ構造体を製造するものである。
ニッケル基材の代わりにＴｉ基材を使用すればＴｉＡｌ系金属間化合物の構造物を同様に製作できる。ニッケル基材にセラミックス粉末を混合し複合化することも可能である。セラミックスとしてＴｉＢ２やＡｌ２Ｏ３粉末を適量混合すれば，セラミックスの複合化が可能になり，さらに，溶融する金属細線の配分量を変えていくことにより，傾斜組成を有する部品の製作が可能になる等，さまざまな展開を図ることができる。
なお，ニッケルやチタン以外にも，コバルト，鉄，ニオブなどの純金属，および，合金，あるいは，これらの混合物，または，これらにセラミック粒子や繊維などの添加物を混合したものを使用できる。また，金属基材は鉄基合金，ニッケル基合金，コバルト基合金，アルミニウム基合金，ニオブ基合金などの他，肉盛りするものと同種あるいは類似の金属間化合物などとすることができる。遷移金属のアルミナイド系金属間化合物による三次元形状の造形のほか，鉄基合金およびニッケル基合金への遷移金属のアルミナイド系金属間化合物の被覆，ニオブ基合金へのニオブアルミナイド被覆，ニオブ基合金への窒化物被覆などが可能である。
本発明の方法を実施構成するための要素として，金属細線の送り出し機構，溶融池形成機構，溶融基材と金属細線の反応域制御，反応相制御，金属化合物成形体の気孔率および組織制御，システム化などがある。以下にこれらの詳細を述べる。なお，下記に述べる金属基材とは，上述のように金属とセラミックス粉末の混合体やセラミックス細線を挿入し複合化してもよい。
先ず，アルミニウム金属細線供給部分に関しては，マイクロアーク溶接に用いられるピンポイント溶接機のトーチなどにおいて先端に保持したタングステン等の放電電極と，溶融池の酸化を防止するために電極先端を覆うようにシールドガスを吐出するように構成した機構を備え，コンピュータにより通電制御されて基材と電極先端部の間で生じる電弧の局所的高エネルギにより溶融したニッケル基材の微小な溶融池に，金属細線供給ユニットに搭載したアルミニウム金属細線のスプールから金属細線供給ユニットに固定された金属細線の引き込みノズルを経て，コンピュータとシーケンサで回転制御されアルミニウム金属細線を加圧挟持する送りローラにより，アルミニウム金属細線の所要長さを迅速に繰り出し，同じく金属細線供給ユニットに引き込み側ノズルと直線上に並置するように固定された送り出しノズルよりアルミニウム金属細線を連続，不連続的に供給する機構であり，例えば，赤外線領域で動作するＣＣＤカメラなどを溶融池形成部の前方に備え，ＣＣＤカメラからの動的画像情報をコンピュータに取り込み，金属細線の先端位置，アークおよび溶融池の位置・形状・寸法等の温度分布データなどを画像解析・測定しながら金属細線の送り出し距離，送り出しタイミング等の制御を行う。
次に，溶融池に混合溶融したアルミニウム金属細線の先端は，送りローラの逆転により退避するとともに，トーチ部と一体に構成されたアルミニウム金属細線の供給ユニットは基材の上方に引き上げられ，基材上面に形成された溶融池が自然冷却で固化する間，次の溶融池の形成位置に移動させ，次の溶融池を形成する単位動作を繰り返すか，または，造形台の周辺部に退避させる機構である。溶融池の冷却を促進・加速させる目的で，造形台に冷却水などの強制循環通路を埋め込んでおくこともできる。
アルミニウム金属細線とニッケル金属基材の反応制御に関しては，Ａｌ−Ｎｉ，Ａｌ−Ｔｉ系では，ＮｉＡｌ，Ｎｉ３Ａｌ，Ａｌ３Ｎｉ２，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ３など多くの化合物相が存在し，アルミニウム金属細線とこれら金属間化合物との反応では，必ずしも目的とする化合物相のみが合成されるとは限らない。また反応域や，生成相の密度，組織制御も造形特性の重要な因子となる。これらの制御には，アルミニウム金属細線や造形台の温度，溶融池のサイズ，溶融速度，金属細線サイズとの関係を最適化し反応制御を行う。
三次元造形物の特性に関しては，造形物の造形精度，密度，気孔率，組織，強度，靱性，熱応力，耐熱性，耐食性，耐摩耗性等の最適化・制御を行う。このため，熱処理，ＨＩＰ処理，表面コーティング処理等を施すことも可能である。また，必要に応じた仕上げ加工法を追加して行うこともできる。これらにより，亀裂や破損，応力集中などを生じない，さらに，高品質で複雑な形状の精密な溶接，被覆，造形などを行えるようにすることも可能である。
装置全体の制御に関しては，三次元被造形物の形状を数値化したデータ，例えば，三次元ＣＡＤの形状データをスライス演算等により断層化変換して得られる座標データ等の造形パラメータに基づく制御パラメータ，すなはち，アルミニウム金属細線ユニットのＺ方向に関する昇降，対応する造形台のＸＹ方向への移動，溶融池のＸ，Ｙ，Ｚ座標，放電電弧のＯＮ／ＯＦＦ，電弧のパルス時間幅・パルス間隔，パルス電流値，金属細線ローラ送りのＯＮ／ＯＦＦおよび回転方向制御，金属細線の供給速度，など一連のパラメータにより作動を行うようにコンピュータとシーケンサ等による制御システムを構成する。
なお，溶融池の形成は，真空を含めた種々の雰囲気で行うことができるが，通常，アルゴン，ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気，または，窒素，二酸化炭素，水素，空気等酸素含有ガスなどの反応性ガス雰囲気において行われる。トーチ先端部から吐出するシールドガスとしては，例えばアルゴンに限るものではなく，窒化物の反応生成を目的として窒素などの反応性ガス体を噴出してもよく，あるいは，不純物の介在を避けるため容器内を真空としてもよい。反応性ガスの雰囲気で反応させると第一の物質または第二の物質と反応性ガスの反応生成物，例えば，窒化物を含有する金属間化合物を生成できる。水素ガスを用いれば，水素化合物ビードの形成や，不活性ガス中の不純物酸素除去の場合に使用できる。また，セラミックスを含む第一の物質を用いると，セラミックス分散型金属間化合物で構成された溶融池を形成できる。
本発明の方法では，微小アークから発生する局所的な高温に加えて，第一の物質と第二の物質との反応による生成熱を利用できるので，基材と溶融池の皮膜層をいっそう強固に一体化できる。そのため，本発明の方法は，基材の被覆方法または基材表面の改質方法として有用である。
すなはち，本発明ではマイクロアークを発生する外部熱源を用いるので，金属間の反応による生成熱が比較的に少ない場合，例えば，ＮｂＡｌ３（４０ｋＪ／ｍｏｌ），ＴｉＡｌ（７５ｋＪ／ｍｏｌ），ＴｉＮｉ（６７ｋＪ／ｍｏｌ）のような小さな生成熱を持ち，燃焼合成のみでは被覆や接合ができない金属間化合物に対して，あるいは，生成熱をほとんど発生しない金属間合金化に対しても本方法は有効である。
また，本発明の方法は，第一の物質から成る複数の基材を点ビードもしくは線ビードで接合する溶接方法としても有用である。すなはち，複数の基材の隣接域に第二の物質からなる金属細線と第三の物質からなる第二の金属細線を混合溶融すると，高い反応熱により第４の物質の金属間化合物を生成するので，隣接する金属基材を金属間化合物により溶接することも可能である。この方法によれば，同種の材質の基材だけでなく，異種の基材をも溶接できる。すなはち，基材の材質が異なっても，第一の物質，第二の物質および第三の物質からなる金属間化合物を生成し，かつ，其々の基材の構成成分と共通または類似する金属成分を選択すると，複数の基材を確実かつ強固に接合できる。
さらに，本発明の方法は，二つ以上の物質の混合溶融により，例えば，タービンブレードなどの立体的または三次元的形状の基材の表面において，基材と融合した肉盛り被覆層を形成したり，複数の基材を肉盛り溶接するために用いることができる。また，肉盛り被覆層により，基材の強度や耐久性などを補強し，損傷した基材を修復または補修できるため，基材の修復または補修方法としても有用である。なお，肉盛り被覆または溶接などの被覆層の形成は，点ビードを連続的または間欠的に形成することにより，通常，連続した溶接パス（溶接ビードの軌跡）を生成させることで行われる。
金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体化合物から成るビード層または被覆層の厚さは，数μｍ〜数ｍｍの広い範囲で，例えば，１０μｍあるいは５ｍｍなどを選択できる。
すなわち，本発明では，第一の物質および第二の物質の溶融池の体積などを調節することにより，数μｍ，例えば，１０μｍから数百μｍ，例えば，５００μｍ程度の薄い被覆層や，厚さが０．１〜１ｍｍ程度の被覆層も形成できる。さらに，厚さが数百μｍ，例えば，２００μｍから数ｍｍ，例えば，５ｍｍ程度の合金の被覆層も，比較的少ないエネルギで短時間に形成できる利点を有する。
上述の諸要素を統合し装置全体として，金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体で形成された，例えば，貝殻構造の造形物などの三次元的な構造体や部品を対象とした，三次元的モデルや三次元形状体を造形するコンピュータで制御されたシステムを構成するものである。
以下に，本発明においてニッケルとアルミニウムを用いた具体的な方法に基づいて，より詳細に説明する。
例えば，ニッケルの金属基材表面に形成した溶融池に，純アルミニウムまたはその合金などのアルミニウム系金属の細線を供給すると，両金属は接触とともに激しい発熱反応を起こし，ニッケル〜アルミニウム系金属間化合物を生成するとともに金属基材に接合する。その結果，金属間化合物の溶融池，もしくは，これが冷却固化して肉盛り溶接ビードを形成する。
【発明の実施の形態】
本発明の方法で，基材，ならびに，第一の金属細線と第二の金属細線の溶融，堆積という簡単な方法で，基材上に金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体による三次元体または三次元皮膜を効率よく形成できる。
基材，ならびに，第一の金属細線および第二の金属細線を構成する元素としては，金属間化合物を形成する元素には特に限定されず，例えば，周期表２Ａ族金属，マグネシウム，カルシウム，バリウムなど，周期表３Ａ族金属，スカンジウム，イットリウムなど，周期表４Ａ族金属，チタン，ジルコニウムなど，周期表５Ａ族金属，バナジウム，ニオブ，タンタルなど，周期表６Ａ族金属，クロム，モリブデン，タングステンなど，周期表７Ａ族金属，マンガンなど，周期表８族金属，鉄，コバルト，ニッケル，イリジウム，パラジウム，白金など，周期表１Ｂ族金属，銅，銀，金など，周期表２Ｂ族金属，亜鉛など，周期表３Ｂ族金属，アルミニウム，ガリウム，インジウムなど，周期表４Ｂ族金属，ケイ素，ゲルマニウム，スズ，鉛など，が例示できる。金属間化合物は，用途に応じて異なる周期表の金属元素で構成され，第一の物質から成る基材，ならびに，第二の物質である第一の金属細線と第三の物質である第二の金属細線とを適当に組み合わせて形成でき，金属元素の組み合わせは特に制限されない。
第一の金属細線および第二の金属細線を構成する金属元素は，単独で使用してもよく，二種類以上組み合わせて混合物や合金などの形態で使用してもよい。
第一の金属細線および第二の金属細線を構成する金属元素は，所望する金属間化合物の特性，例えば，耐熱性，耐久性，耐環境性，摺動性など，に応じて，前述の金属から適当に選択できる。例えば，金属間化合物であれば，周期表４Ａ族金属，チタン，ジルコニウムなど，周期表５Ａ族金属，バナジウム，ニオブ，タンタルなど，周期表６Ａ族金属，クロム，モリブデン，タングステンなど，周期表８族金属，鉄，コバルト，ニッケル，イリジウム，パラジウム，白金など，周期表３Ｂ族金属，アルミニウム，ガリウム，インジウムなど，周期表４Ｂ族金属，ケイ素，ゲルマニウム，スズ，鉛など，から選択され，かつ，周期表の異なる複数の金属元素を組み合わせて形成できる。より具体的には，高温構造材料としての特性を向上させる場合，例えば，周期表８族金属，鉄，コバルト，ニッケル，イリジウム，パラジウム，白金など，周期表５Ａ族金属，バナジウム，ニオブ，タンタルなど，周期表６Ａ族金属，クロム，モリブデン，タングステンなど，を例示でき，第二の金属細線としては，例えば，周期表８族金属，鉄，コバルト，ニッケル，イリジウム，パラジウム，白金など，周期表４Ａ族金属，チタン，ジルコニウムなどを例示できる。
基材，ならびに，第一の金属細線および第二の金属細線を構成する種々の元素から成る合金の例としては，アルメル，インコネル，鉄クロム，インバア，カンタル，コバール，ニクロム，パーマロイ，ステンレス，鉄基合金，ニッケル基合金，コバルト基合金，アルミニウム基合金，ニオブ基合金，などを示すことができる。
また，基材，ならびに，第一の金属細線および第二の金属細線を構成する物質は，金属結晶の形態にとどまらずアモルファスの形態をとることも可能である。
さらに，基材は，セラミックス基材などであってもよいが，通常，金属基材である。基材を構成する物質または金属は，金属間化合物の被覆層との密着性を向上させるため，第二の物質もしくは第三の物質と共通の金属で，第二の物質および第三の物質から選択された，少なくとも一種の金属，または，例えば，周期表が共通する金属で構成でき，合金，例えば，鉄基合金，ニッケル基合金，コバルト基合金，アルミニウム基合金，ニオブ基合金などであってもよい。例えば，耐熱性が要求される用途においては，周期表８族金属，鉄，コバルト，ニッケルなど，周期表５Ａ族金属，ニオブ，バナジウム，タンタルなど，から選択された少なくとも一種で構成された金属または合金で基材を形成できる。
基材を構成する第一の物質は溶接ビードの強度を補強するため，セラミックスを含有していてもよい。セラミックスは，通常，第二の物質または第三の物質との反応温度より高い融点を有している。セラミックスの構成成分は，アルミニウム，イットリウム，チタン，ジルコニウム，ハフニウム，ケイ素，マグネシウム，タングステン，タリウム，バナジウム，ニオブなどの金属と，酸素，炭素，窒素およびホウ素などから選択された，少なくとも一種の非金属とである場合が多く，非金属同士のセラミックス，例えば，炭素とホウ素，窒素とホウ素など，であってもよい。金属成分は，通常，アルミニウム，イットリウム，チタン，ジルコニウム，ハフニウム，ケイ素などから選択された，少なくとも一種の金属で構成できる。セラミックスは，アルミナ，ジルコニア，マグネシア，イットリア，ムライト，チタン酸バリウム，などの酸化物系セラミックス，あるいは，非酸化物系セラミックスのいずれであってもよい。非酸化物系セラミックスとしては，炭化ケイ素，炭化ホウ素，炭化チタン，炭化ハフニウム，炭化ジルコニウム，炭化タングステン，炭化バナジウム，炭化ニオブなどの炭化物，窒化ケイ素，窒化ホウ素，窒化アルミニウム，窒化チタン，窒化ハフニウム，窒化ジルコニウム，窒化タリウム，窒化バナジウム，窒化ニオブなどの窒化物，あるいは，ホウ化チタン，ホウ化ジルコニウム，ホウ化ハフニウム，ホウ化ニオブなどの硼化物などを例示できる。これらのセラミックスは単独もしくは二種以上を組み合わせて使用できる。セラミックスの割合は，通常，第一の物質１００重量部に対して０．１〜１００重量部，好ましくは，１〜５０重量％の程度の範囲から選択できる。セラミックスの含有形態は，第一の物質とセラミックスの混合であってもよい。
なお，粉末状の形態で第一の物質またはセラミックスを用いる場合，これら粉末の平均粒子径は，通常，０．１〜１００μｍ，好ましくは，１〜７０μｍ，程度である。
なお，ここで金属間化合物とは，周知のように，複数の金属元素が結合し，成分の金属元素とは異なる新たな性質を呈する化合物を意味する。また，皮膜層とは，被覆層，肉盛り被覆層，肉盛り溶接部などと称する場合がある。
次に，三次元造形のプロセスと装置について本発明の構成を図１から図７において説明する。まず，第１図（Ａ）から（Ｅ）に装置の基本動作を示す。第１図（Ａ）は基本動作サイクルの開始状態を示し，任意の点において電気的に接地された金属基材１００の上面に鉛直な軸ＯＺに沿って基材１００の上部に，例えば電弧溶接機のトーチ部２１０を配置する。トーチ部２１０は，（図示しない電動機構により）軸ＯＺに沿って上下方向に滑動できるように構成する。トーチ部２１０の左右において，軸ＯＬに沿うように第一の金属細線３３０を配置し，軸ＯＲに沿うように第二の金属細線４３０を備える。軸ＯＬ，ＯＲは，軸ＯＺに対して其々一定の角度θ，例えば，４０度〜５０度程度，になるように軸ＯＺに関して左右対称に配置する。軸ＯＬ，ＯＲ，ＯＺから成る平面は基材１００の上面に対して垂直であるように構成する。トーチ部２１０は下端に棒状のタングステン電極２２０を保持する。電極２２０はトーチ部２１０の内部を挿通することによりトーチ部２１０の先端から連続的に供給される。（電極２２０には図示しない電源から電力が供給される）。
左の金属細線３３０は，（図示されていない第一の電動モータに連結され左右方向に自在に正転逆転可能な）送りローラ３１０と，    （回転拘束されない）送りローラ３２０により加圧挟持され，送りローラ３１０が回転することにより軸ＯＬ上を点Ｏの方向へ供給される。右の金属細線４３０は，（図示されていない第二の電動モータに連結され左右方向に自在に正転逆転可能な）送りローラ４１０と，（回転拘束されない）送りローラ４２０により加圧挟持され，送りローラ４１０が回転することにより軸ＯＲ上を点Ｏの方向へ供給される。第１図（Ａ）において，トーチ部（２１０，２２０），第一の金属細線供給部（３１０，３２０，３３０）および第二の金属細線供給部（４１０，４２０，４３０）は，図示しない共通の支持台で固定・保持されており，これらが一体となり基盤に対して相対的に移動するユニット部，すなはち，溶融池を形成するヘッド部を構成している。また，第１図（Ａ）においては，トーチ部２１０乃至ユニットはＯＺ方向にのみ移動可能であり，基材１００が図示しない機構によりＸＹ方向に移動するように構成してある。
第１図（Ｂ）において次の動作段階を示す。（図示しない電動機構により）トーチ部２１０が（駆動され）基材１００に向かって軸ＯＺ上を下降する。電極２２０に電圧を印加するとともに，先端を基材１００の表面に接近させてゆくとき，電極２２０の印加電圧に応じた距離Ｇ，代表的にはＧ＝１ｍｍ〜２ｍｍ，において電弧２３０を生じる。基材１００は任意の点で接地されている。
第１図（Ｃ）に示すように，電弧２３０により基材１００が局部的に高温度に達し溶融することで生じる金属の溶融池１１０を形成する。溶融池１１０の形成後，トーチ部２１０を上方へ引き上げ電極２２０への供給電力を遮断することにより電弧２３０は消失する。電弧２３０を発生させるため電極２２０に供給するエネルギは通電電流の波形と給電時間を調節することにより制御する。また，金属基材１００の融点に応じたエネルギを電極２２０を通じて供給すれば，異なる材質の基材１００においても溶融池１１０を形成することが可能である。
次に，第１図（Ｄ）に示すように，左の送りローラ３１０，３２０により第一の金属細線３３０を供給し，右の送りローラ４１０，４２０により第二の金属細線４３０を供給し，其々の金属細線の先端部が溶融池１１０内へ届く距離だけ点Ｏに向かって繰り出す。このとき，溶融池１１０は未だ溶融状態にあるので，金属細線３３０，４３０が高温の溶融池１１０と接触することにより金属細線３３０，４３０の融点に達するので基材１００の溶融池１１０と，第一の金属細線３３０，第二の金属細線４３０が共に溶融することにより，新たな溶融池１２０を形成する。
次に，第１図（Ｅ）に示すように，溶融池１２０の形成後，金属細線３３０，４３０は直ちに送りローラ３１０，３２０および４１０，４２０を逆転させることにより引き戻され，第１図（Ａ）に示す初期位置に復帰する。このようにして，第１図（Ａ）〜（Ｅ）の各ステップを一巡することにより，基材１００および金属細線３３０，４３０が溶融状態で混合した溶融池１２０を形成するプロセスの基本動作単位が完結する。ここで，基材１００と金属細線３３０，４３０は同一の材質でもよく，異なる材質でもよい。また，金属細線３３０と４３０は同一の材質でもよく，異なる材質でもよい。
電極２２０に供給するエネルギであるが，第２図に示すように，電極２２０に供給する電流がパルス状であり，基材１００あるいは金属細線３３０，４３０の性状に応じて，通電電流の大きさ，パルスの波形，通電時間をコンピュータとシーケンサで制御することにより外部から任意に調節が可能である。
第２図の（Ａ）〜（Ｂ）において，横軸は時間を示し縦軸は電流の大きさを示す。ＰＭはパルス状に印加される電流の大きさを示し，ＰＷは電流のパルス幅であり，ＰＩは印加される電流の時間間隔を表す。図（Ａ）においては相対的にパルス幅ＰＷが狭く，エネルギ密度の疎な波形の例を示す。図（Ｂ）ではパルス幅ＰＷに対して印加時間間隔ＰＩが短く相対的に印加エネルギが密な波形のパターンを示す。ここで，ＰＭ，ＰＷ，ＰＩを基材１００および金属細線３３０，４３０の特性に応じて可変とすることにより，材質の組み合わせが種々に変化しても一定の効率で溶融池１２０を形成できる。また，溶融池１１０を形成する一つの基本動作サイクルにおいて，電極２２０に供給する電流の始まりと終わりにおいてＰＭ，ＰＷ，ＰＩを可変とすることによって，さらに，供給波形の最適化を行うことが可能である。
このように形成される溶融池１２０ないし溶融池が凝固して生じる点ビードを基本単位として三次元的な構造体とする方法に関して，次に第３図を用いて説明する。
第３図（Ａ）において，前述の第１図に示す基本動作単位を漸進的に繰り返すことにより，基材１００の表面に線状の線ビード１４０を形成する。すなはち，既に形成されている点ビード１２１の直径に対して，重なり合うように次の点ビード１２２を形成する。さらに，次の点ビード１２３を前の点ビード１２２の上に形成する。このようにして点ビード１２１〜１２３を互いにオーバーラップさせながら基本動作単位を順次に漸進させることにより点ビード１２０同士が連接し線状になった線ビード１４０を形成する。ここで，溶融池１２０ないし点ビード同士の重なり代は用途・目的に応じて任意であるが，構造体として一体になった線ビード１４０を得るためには，少なくとも，隣り合う点ビード１２０同士が互いに接していなければならない。なお，線ビード１４０の構造的な連続性を持たせるには点ビード１２０同士の間隔は極力蜜であることが望ましいが，線ビード１４０の形成に要する所要時間との兼ね合いから最適化される。
第３図（Ｂ）に示す基材１００の表面において，上述の構成により線状の面ビード層１４１が形成され自然冷却により固化している場合，次に，トーチ部２１０を面ビード層１４１の高さＥの概ね半分程度持ち上げ，再度同じ工程を繰り返すことにより層１４１の上に重ねて次の面ビード層１４２を形成する。この過程を詳述すると，いま，同図のＹ方向へ，第１図（Ａ）においては図面の手前から向こう側の方向へ，溶融池形成ヘッドユニットを漸進させているとする。先ず，第１図（Ｂ）の工程により新たな溶融池１１０を面ビード層１４１の上面に形成する。このとき，電極２２０からの入熱により面ビード層１４１の上面の一部近傍，および，既に形成された面ビード層１４２に属する直前の点ビード１２１は局部的な高温になるので，第３図（Ｂ）に示すように一部が再度溶解し溶融池１１０を形成する。その後，第１図（Ｄ）の工程により金属細線３３０，４３０を溶解し溶融池１１０に溶かし込むことにより溶融池１２０を形成する。このような過程を繰り返すことにより，線状の面ビード層１４１の上面に接して一体となった線状の面ビード層１４２を形成できる。同様の積層工程を順次に繰り返すことにより，面ビード層１４２の上面に次の面ビード層１４３を形成できる。
このような工程を所要の回数だけ繰り返すことにより，第３図    （Ｃ）に示すように，一般に任意の（Ｎ＋１）層の金属硬化層の集合した構造体を得る。互いの層間の構造的結合は前述の通り，連続した再溶解部１３０が冷却固化することにより得られる。
ところで，上記は高さＺ方向の積層工程について述べたが，前後左右ＸＹ平面方向の工程について第３図（Ｄ）において説明する。目的とする立体的構造体のＸＹ平面に平行な任意の断面における輪郭形状１５０は，第３図（Ａ）に示すような連続した点ビード１２０の，直線ではなく，任意の曲線１５０に沿って一筆書きのように漸進することで任意のＮ層を構成できる。目的とする立体物が外殻状のときはこの方法で構造体の形成を達成できるが，一方，対象物が中実体のときは輪郭１５０で囲まれたＸＹ平面を線状の線ビード１５１で蜜に塗りつぶす必要がある。この場合は，第３図（Ｂ）における積層工程と同様に，線状の線ビード１５１が形成され自然冷却により固化している場合，次に，トーチ部２１０を線１５１の幅Ｗの概ね半分程度の間隔だけ線１５１から離れた平行上で点ビード１２０を連続的に形成する工程を繰り返すことにより線ビード１５１の隣に次の線ビード１５２を形成する。この過程を詳述すると，いま，第３図（Ｄ）の負Ｙ方向へ，第１図（Ａ）においては図面の向こう側から手前の方向へ，溶融池形成ヘッドユニットを漸進させているとする。先ず，第１図（Ｂ）の工程により新たな溶融池１１０を線ビード１５１に隣接して形成する。このとき，電極２２０からの入熱により線ビード１５１の一部近傍，および，既に形成された線ビード１５２に属する直前の点ビードは局部的な高温になるので，第３図（Ｄ）に示すように一部が再度溶解し溶融池１１０を形成する。その後，第１図（Ｄ）の工程により金属細線３３０，４３０を溶解し溶融池１１０に溶かし込むことにより次の溶融池１２０を形成する。このような過程を繰り返すことにより，線状の線ビード１５１に隣接して一体となった線状の線ビード１５２を形成できる。同様の工程を順次に繰り返すことにより，線ビード１５２の隣に次の線ビード１５３を形成できる。各線ビードの始端と終端は，其々線ビードがＹ方向に輪郭１５０と交差する点になる。このようにしてＸとＹ方向において隣接する点状の点ビード１２０によって輪郭１５０の内部は埋め尽くされる。同様の工程を任意の（Ｎ＋    １）層において高さＺ方向に繰り返すことにより立体的な中実体を得られる。なお，第３図（Ｄ）において，隣り合う線ビード１５１〜１５３等は，座標軸Ｘ，Ｙに対して常に平行または直角である必要はないので，個別にまたは線群として，任意の角度で傾斜していてもよい。また，隣り合う線ビード同士が常に接触している必要も無く，例えば，線ビード１５２が存在せず，線ビード１５１と１５３の間が空間であるような疎な中実体であってもよい。例えば，全体としてハニカム構造となるような中実体であってもよい。
次に，第４図〜第７図において装置の構成を説明する。
第４図は，装置５００の正面に向かって左側から見たときの縦断面を示している。装置５００は，その機能にしたがって幾つかの区画に分かれれている。装置５００の全体および各区画部分はパネル状構成部材５０１で囲むように構成されている。装置５００の中心部となる造形区画５２０には，第１図で説明した溶融池形成ヘッドユニット部６００が収納される。Ｚ方向に昇降するユニット６００の下方において，基板１０１と基板１０１を載置してＸＹ方向の任意の位置に移動する造形台５２１が備えられている。ユニット６００の前方において，ＣＣＤカメラ５２２を備え，ユニット６００の動作状況を監視，あるいは，画像処理したデータから金属細線３３０，４３０の繰り出し制御や電弧２３０の遠隔調整などを行うための情報を得る。溶融池１２０または基材１００の温度に関しては，図示しない赤外線温度センサなどにより計測することもできる。造形区画５２０の下方には駆動区画５３０を設けてあり，造形台５２１を其々Ｘ方向とＹ方向の任意の位置に移動させるため，電動モータ５３１と水平駆動装置５３２が二組設けてある。造形台５２１の可動範囲を除いて造形区画５２０と駆動区画５３０はパネル部材５０１で仕切られている。溶融池形成ヘッドユニット部６００の全体は，造形区画５２０の背面に設けた昇降区画５４０に収納した昇降機５４１に一体に固定された支持梁５４４により支持される。昇降機５４１は，ピストン５４３を介して電動モータ５４２に連結され，電動モータ５４２の回転方向と回転量を制御することにより，ユニット部６００と共に上下の任意の位置に移動可能に構成されている。造形区画５２０の前面には扉５０２が備えられている。扉５２０の構成は図示しないが，左右いずれかの片開きでもよく，観音開きでもよく，あるいは，上下に開閉するガルウィング式の扉であってもよい。造形区画５２０の上部には，排気部５１０が設けられている。造形区画５２０と排気部５１０はパネル５０１で仕切られており，パネルを貫通するように軸流排気ファン５１１を設けてある。図中の矢印は排気の方向を示す。排気部５１０の上縁は，図示しないフランジ等により排気ダクト５０５により装置５００を設置してある室外に排気を導く構成としている。造形区画５２０の内部は，排気ファン５１１により装置外へ排気されるとともに，扉５０２に設けた図示しない吸気口から外気を吸引する構成である。駆動区画５３０および昇降区画５４０の下部には，制御区画５５０が設けられており，プログラマブルコントローラ部５５１，ワイヤーハーネス部５５２，集合端子台５５３，および，電源引き込みケーブル５５４などが収納される。装置５００の底部には，ジャッキボルトを備えた脚部５０３と装置５００を移動させるためのキャスタ５０４を備える。
第５図は，装置５００を上面から見た第４図のＴＴ’視図である。第５図において，装置の前方Ｆ方向から見たときの溶融池形成ヘッドユニット部６００の詳細を第６図に説明する。
第６図において，金属基材１００に鉛直な軸ＺＺ’に沿って，例えば電弧溶接機のトーチ部６１０が配置される。トーチ部６１０は，第５図に示した昇降機５４１と一体になった支持梁５４４により，軸ＺＺ’に沿って上下方向に滑動できるように構成する。トーチ部６１０の上端部からは可撓性を有するケーブル６１４が引き込まれている。トーチ部６１０は下端に棒状の電極６１１を保持する。電極６１１はトーチ部６１０の内部を挿通することによりトーチ部６１０の先端から連続的に供給される。電極６１１には電源ケーブル６１４から電力が供給される。トーチ部６１０の下端に設けた開口部からは棒状の電極６１１と金属基材１００の間に生じる電弧６１３を雰囲気から覆うようにアルゴン，ヘリウムなどの不活性ガス，または，窒素，二酸化炭素，水素，空気などの酸素含有ガス，などの反応性ガス体のシールドガス６１２が噴出される。トーチ部６１０の左右において，第一の軸ＬＬ’に沿うように第一の金属細線６２０，送りローラ６２１，６２２，送り出し側ノズル６２３，引き込み側ノズル６２４，金属細線スプール６２５から構成される第一の金属細線供給部を配置し，第二の軸ＲＲ’に沿うように第二の金属細線６３０，送りローラ６３１，６３２，送り出し側ノズル６３３，引き込み側ノズル６３４，金属細線スプール６３５から構成される第一の金属細線供給部を配置する。図を理解する便宜のため，第二の金属細線６３０の送り出し側ノズル６３３と引き込み側ノズル６３４は破断面で表示している。第一の金属細線供給部全体は調節摘み６２６を回転することにより軸ＬＬ’に沿って移動させることができ，第二の金属細線供給部全体は調節摘み６３６を回転することにより軸ＲＲ’に沿って移動させることができる。スプール６２５および６３５は其々丸めて束ねた金属細線６２０，６３０を収納した円筒形状の部材であり，スプール６２５および６３５から供給される金属細線６２０，６３０は，其々引き込み側ノズル６２４，６３４に設けた細い穴を通して，第一の送りローラ６２１，６２２および第二の送りローラ６３１，６３２により駆動されて送り出し側ノズル６２３，６３３の内側に設けた細い穴を通して其々が電弧６１３に供給される。第一の金属細線６２０は，図示されない第一の電動モータに連結され自在に正転逆転可能な送りローラ６２１と，回転拘束されない送りローラ６２２により加圧挟持され，送りローラ６２１が回転することにより軸ＬＬ’上を点Ｏの方向へ供給される。第二の金属細線６３０は，図示されない第二の電動モータに連結され自在に正転逆転可能な送りローラ６３１と，回転拘束されない送りローラ６３２により加圧挟持され，送りローラ６３１が回転することにより軸ＲＲ’上を点Ｏの方向へ供給される。第一の軸ＬＬ’と第二の軸ＲＲ’は，軸ＺＺ’に対して其々第１図（Ａ）において示した一定の角度θとなるように軸ＺＺ’に関して左右対称に配置され，第一の軸ＬＬ’と第二の軸ＲＲ’の延長は，軸ＺＺ’の延長と金属基材１００が交差する点Ｏにおいて，其々が点Ｏを通るように配置され，かつ，軸ＬＬ’，軸ＲＲ’，軸ＺＺ’から成る平面は基材１００に対して垂直であるように構成される。第一の金属細線供給部（６２０〜６２６���および第二の金属細線供給部（６３０〜６３６）は，共通の支持梁５４４で固定・保持されており，これらが一体となって基材１００に対して相対的に移動する金属溶融池を形成するヘッド部，すなはち，溶融池形成ヘッドユニット部６００を構成している。また，第一の金属細線供給部（６２０〜６２６）および第二の金属細線供給部（６３０〜６３６）は，支持梁５４４に対して，図示しない締結機構により，其々の供給部全体が，軸ＬＬ’と軸ＲＲ’の方向，ＺＺ’の方向，第５図に示すＸ軸の方向，および，軸ＬＬ’〜軸ＺＺ’〜軸ＲＲ’で構成される平面における軸ＺＺ’に対する点Ｏを回転中心とした角度θについて，取り付け位置を調節可能なように構成してある。次に，ＶＶ’視で示される溶融池形成ヘッドユニット部６００の上面を説明する。
なお，第６図の実施例では，スプール６２５および６３５の直径方向が，金属細線６２０，６３０の軸ＬＬ’と軸ＲＲ’に其々交差するように配置しているが，金属細線６２０，６３０の繰り出し運動を滑らかにするため，スプール６２５および６３５の直径方向が，軸ＬＬ’と軸ＲＲ’に略平行となるように配置されてあってもよい。
第７図において，第６図のＬ〜Ｏ〜Ｒに沿って溶融池形成ヘッドユニット部６００を上から見たときの構成を示す。
第８図は，本発明による装置全体の構成を示し，第５図においてＦ方向から見た場合の例である。装置５００は前面に扉５０２を備えている。扉５０２の内側には溶融池の形成状態等を遠方監視するためのＣＣＤカメラを備えているが，現場で装置の動作状態を目視確認するため，装置の外側から透視できるように，扉５０２の一部を切り欠いて板ガラス等の透明な部分を設けてもよい。装置の外部にシールドガス供給部７０１を設置しガス供給部７０１と装置５００は接続ホースなどでシールドガスの配管を行う。装置本体５００は，装置の外側に別置きした制御端末インターフェース７０３，および，演算制御部７０４との間を図示しない信号ケーブルにより接続されている。また，制御用端末７０３と演算制御部７０４とで構成される制御部は，装置に近接して設置してもよく，装置から離れた場所にある別室に設置され，専用ＬＡＮ・ＷＡＮ，商用インターネット等のネットワークを介して接続されていてもよい。
次に，異なる実施例として，第５図における造形台５２１の内部に設けた通水孔に，図示しないフレキシブルホースなどを通して冷却水を導入することにより，溶融池１２０の冷却を効率的に行い装置の生産性を高めることができる。或いは，別の実施例として，造形台５２１の近傍に図示しないヒータなどを設けることにより，溶融池ないし雰囲気の温度制御を行うことで，溶融池の形成，ならびに，溶融条件の最適化を容易にするとともに，溶融池の昇温時間短縮などにより装置の生産性を高めることができる。基材，溶融池，もしくは，造形台の温度制御のためには，図示しない赤外線センサなどにより，リアルタイムで必要箇所の温度を計測することもできる。また，別の実施例として，第６図の軸ＺＺ’を中心とする円周上で図示しない第三の金属細線供給部を追加して配置することができる。異なる材質の第三の金属細線を溶融池１２０に添加することで，溶融池１２０に含まれる成分構成の多様化にも対応できる。また，別の実施例として，上述の説明では微小アークを用いた電弧溶接機等に用いられるトーチ部を溶融池１１０の加熱源として示したが，トーチ部２１０および電極２２０に代えて，炭酸ガスレーザ等のレーザ発信器を装着し，レーザビームを基材の表面に照射することにより溶融池１１０を形成してもよく，もしくは，電子ビーム銃を装着し，電子ビームを基材の表面に照射することにより溶融池１１０を形成してもよい。
なお、本発明は、上記に詳述した実施例に限定されるものではなく、本旨の範囲で適宜に変形して実施できることは勿論である。
【発明の効果】
金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合体による製品は鋳造法や塑性加工法や機械加工法により製作されているが，材質の有する特性から多くの工程とエネルギを消費している。本発明による方法によれば，特に金属間化合物の生成においては，燃焼合成反応による材料自体の発熱反応を有効に利用するため，少ない消費エネルギと短時間で三次元造形もしくは三次元被覆できる利点があり，低コストの高機能材を提供できる。
また，金属，合金，金属間化合物，および，これらの組成を含む複合化合物の有する高強度・耐熱性・耐摩耗性などの優れた特性とも相俟って，製品段階の開発・試作のニーズ対して短期間で複雑な任意形状の部品を提供し得，地球環境にも優しいプロセスを提供できる。
例えば，環境汚染については，燃料中に含まれる硫黄等の有害成分の濃度が高まり社会的問題になっている。焼却炉の燃焼ノズルやタービンブレードの高効率化のため入口ガス温度の高温化が必要であるが，高温における耐食性を向上するため，構造材に本発明によるニッケル基超合金の耐食被覆やアルミナイドやシリサイドおよびそれらを母相とする合金被覆などの耐高温金属間化合物材料を応用すれば，焼却炉の耐熱性・耐食性を高められることから焼却温度を上昇させ，ダイオキシン等の環境有害物質の放出を減らすことができる。また，消費エネルギが減少することにより，炭酸ガスなどの地球温暖化要因の発生を抑制でき環境劣化に対する諸問題に対応できる。
また，チタンなどの生体材料では，耐食性や生体親和性が良好であるが耐摩耗性が劣るので，磨耗微粉が生体組織を刺激して炎症の原因になることが問題になっていて，関節などの摺動部への適用が遅れている。本発明によれば，チタン表面を窒化して硬化し耐摩耗性を付与できるので，人工関節などのインプラント式生体材料の開発が可能となる。
さらに，工具は，高温・高応力の環境下で使用されるため寿命が短いので，長寿命化できればコスト削減に寄与できる。本発明では，工具鋼表面に窒化物あるいは炭化物を分散させ表面強度を増強できるから，熱間鍛造用金型や熱間圧延ロールなどに使われる熱間加工用工具鋼などの表面改質に適用できる。
従い，複雑な三次元任意構造体の製作方法に関する課題を一挙に解決する手段と高機能材料を提供することにより広範な産業分野の必要性に応えることができる。
【図面の簡単な説明】
【第１図】本発明による装置の基本動作の説明
【第２図】本発明による装置に供給される電流波形の例
【第３図】本発明による三次元造形の説明
【第４図】本発明による装置の側面全体
【第５図】第４図の平面視
【第６図】溶融池形成機構部の詳細
【第７図】第６図の平面視
【第８図】本発明による装置の全体
【符号の説明】１００  基材，１０１  三次元体，１１０  基材  溶融池，１２０  合金溶融池，１２１  前の溶融池，１２２  溶融池，１２３  次の溶融池，１３０  点ビード，１４０  線ビード，１４１  直前の面ビード層（Ｚ方向），１４２  現在の面ビード層（Ｚ方      向），１４３  次の面ビード層（Ｚ方向），１５０  任意の形状断面輪郭，１５１  直前の線ビード（ＸＹ方向），１５２  現在の線ビード（ＸＹ方向），１５３  次の線ビード（ＸＹ方向），２１０  トーチ部，２２０  電極，３１０  第一の駆動側送りローラ，３２０  第  一の非拘束側送りローラ，３３０  金属細線，４１０  第二の駆動側送りローラ，４２０  第二の非拘束側送りローラ，４３０  第二の金属細線，２３０  電弧，５００  装置本体，５０１  パネル，５０２  扉，５０３  脚部，５０４  キャスタ，５０５  排気ダクト，５１０  排気区画，５１１  排気ファン，５２０  造形区画，５２１  造形台，５２２  ＣＣＤカメラ，５３０  駆動区画，５３１  電動モータ，５  ３２  水平駆動装置，５４０  昇降区画，５４１  昇降機，５４２  電動モータ，５４３  ピストン，５４４  支持梁，５５０  制御区画，  ５５１  プログラマブルコントローラ部，５５２  ワイヤーハーネス部，５５３  集合端子台，５５４  電源引き込みケーブル，６００溶融池形成ヘッドユニット部，６１０  トーチ部，６１１  電極，６１２  シールドガス，６１３  電弧，６２０  第一の金属細線，６２１  駆動側送りローラ，６２２  非拘束側送りローラ，６２３  送り出し側ノズル，６２４  引き込み側ノズル，６２５  第一の金属細線スプール，６２６  調節摘み，６３０  第二の金属細線，６３１  駆動側  送りローラ，６３２  非拘束側送りローラ，６３３  送り出し側ノズル，６３４  引き込み側ノズル，６３５  第二の金属細線スプール，６３６  調節摘み，７０１  シールドガス供給部，７０２  シールド  ガス配管，７０３  コンピュータインターフェース，７０４  演算制御装置
【図１（Ａ）】
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【図１（Ｂ）】
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【図１（Ｃ）】
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【図１（Ｄ）】
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【図１（Ｅ）】
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【図２（Ａ）】
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【図２（Ｂ）】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図３（Ｃ）】
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【図３（Ｄ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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