(57)【要約】  透明媒質を配置することなくパルスレーザを照射して諸特性を向上させることができる金属積層造形技術を提供する。  金属積層造形装置（１０）において、造形素材（２１）を供給する素材供給部（１１）と、走査するエネルギービーム（１６）を出力し造形素材（２１）を溶融させる熱源（１２）と、少なくともエネルギービーム（１６）を走査させる移動駆動部（１８）と、凝固後の降温過程における造形素材（２１）の凝固部（２１ａ）に対しパルスレーザ（１７）を照射するレーザ照射部（１５）と、を備える。
2020045383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形素材を供給する素材供給部と、
エネルギービームを出力し前記造形素材を溶融させる熱源と、
少なくとも前記エネルギービームを走査させる移動駆動部と、
降温過程における前記造形素材の凝固部に対しパルスレーザを照射するレーザ照射部と
を備えることを特徴とする金属積層造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の金属積層造形装置において、
前記エネルギービームの出力先に前記造形素材が供給される金属積層造形装置。
【請求項３】
請求項１に記載の金属積層造形装置において、
前記素材供給部は、
下降する第１ステージに前記造形素材としての粉体を敷き詰めて前記エネルギービーム及び前記パルスレーザを入力する第１容体と、
上昇する第２ステージと共に前記粉体を保持させる第２容体と、
前記第２容体の上部にせり出した前記粉体を前記第１容体の前記第１ステージ上に移行させる移行手段と、を有する金属積層造形装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記エネルギービームの出力と同時に前記パルスレーザの照射が行われる金属積層造形装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記パルスレーザは、照射位置におけるパワー密度が１０7 Ｗ／ｃｍ2以上である金属積層造形装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記パルスレーザは、照射位置におけるパワー密度が１０12 Ｗ／ｃｍ2以上である金属積層造形装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記パルスレーザは、前記エネルギービームと所定の間隔を保ちながら走査される金属積層造形装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記造形素材は粉体として供給され、
前記エネルギービームは、レーザビーム又は電子ビームである金属積層造形装置。
【請求項９】
請求項２に記載の金属積層造形装置において、
前記造形素材は、ワイヤーとして供給され、
前記エネルギービームは、レーザビーム、アーク放電又は電子ビームである金属積層造形装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
既に形成された前記造形素材の凝固部に対し、さらに前記造形素材の凝固部を形成する金属積層造形装置。
【請求項１１】
造形素材を供給するステップと、
エネルギービームを走査させながら出力し前記造形素材を溶融させるステップと、
降温過程における前記造形素材の凝固部に対しパルスレーザを照射するステップと、を含むことを特徴とする金属積層造形方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の金属積層造形方法において、
前記エネルギービームの出力先に前記造形素材が供給される金属積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザ照射により金属積層造形の諸特性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属積層造形（ＡＭ：Additive Manufacturing）は、連続的に供給される粉体又はワイヤー状の金属素材に、レーザ、電子ビーム、プラズマ等のエネルギービームを出力し、この供給される金属素材の溶融・凝固を繰り返すことによって、所望の形状を三次元的に造形する技術である。この金属積層造形は、形状を示すデジタルデータから直接造形することができるため、鋳造や鍛造で必須であった金型が不要となる。このため、少量生産品のコスト低減、開発リードタイムの短縮が実現され、さらにラティス構造等の複雑な立体構造物を一体的に造形することも可能となる。【０００３】
金属積層造形物は、粉体又はワイヤー状の固体金属が一旦溶融し凝固するプロセスを経るため、多パス溶接の集合体とみなせる。このため金属積層造形物は、溶融し凝固した凝固部と、溶融せず固相のままであるが熱影響を受けた熱影響部と、から構成されている。一般的に、これら凝固部及び熱影響部は、母材と比較して硬さ、引張強さ、破壊じん性といった機械的特性、および疲労特性（疲労寿命、疲労強度）、耐食性といった諸特性が劣る。【０００４】
また、積層される金属素材は、溶融して凝固する際に体積が収縮するため、金属積層造形物中に、引っ張り方向の残留応力を発生させる。この引張残留応力は、上述の諸特性の劣化に寄与するばかりでなく、基材と積層金属の線膨張係数の差が大きい程より顕著に、基材の歪（曲がり）や積層金属の割れの発生、金属積層造形物の寸法精度の低下をもたらす。【０００５】
この引張残留応力に起因する金属積層造形の諸特性の劣化を抑制するために、積層体を構成する各層が形成される度に、この層表面をレーザピーニングする方法が公知となっている（例えば、特許文献１）。レーザピーニングを施工することで、凝固金属に圧縮残留応力が導入されて既存の引張残留応力が緩和されるとともに、さらに上述した諸特性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／００８７６７０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記した特許文献等で開示される一般的なレーザピーニングは、パルス幅が数ナノ秒であるナノ秒パルスレーザが採用されている。ナノ秒レーザピーニングの場合、凝固金属の表面に水などの透明媒質を設置し、レーザ照射によって凝固金属の照射面で発生するアブレーションプラズマの膨張を閉じ込めることによって、その内部に塑性衝撃波を伝搬させ圧縮残留応力を導入する。【０００８】
このため前記した特許文献等で開示される公知技術では、凝固金属の各層が形成される毎に、その上面に犠牲層と呼ばれるレーザに対する透明媒質を配置することにしている。そして、レーザ照射後は、この犠牲層を除去してから、次の凝固金属を積層するというプロセスを繰り返すこととなる。このため、金属積層造形物の製造時間が長期化するだけでなく、除去しきれなかった犠牲層の一部が介在物として残留した場合、上述した金属積層造形の諸特性をむしろ劣化させてしまうことが懸念される。【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、透明媒質を配置することなくパルスレーザを照射して諸特性を向上させることができる金属積層造形技術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】
【００１０】
本発明に係る金属積層造形装置において、造形素材を供給する素材供給部と、エネルギービームを出力し前記造形素材を溶融させる熱源と、少なくとも前記エネルギービームを走査させる移動駆動部と、降温過程における前記造形素材の凝固部に対しパルスレーザを照射するレーザ照射部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、透明媒質を配置することなくパルスレーザを照射して諸特性を向上させることができる金属積層造形技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）本発明の第１実施形態に係る金属積層造形装置のブロック図、（Ｂ）造形工程における金属積層造形物の縦断面図、（Ｃ）その上面図。
【図２】（Ａ）第１〜第３実施形態に係る金属積層造形装置のプローブ先端の実施例を示す拡大断面図、（Ｂ）第１〜第３実施形態におけるプローブ先端の他の実施例を示す拡大断面図。
【図３】（Ａ）第１〜第３実施形態におけるプローブ先端の他の実施例を示す拡大断面図、（Ｂ）第１〜第３実施形態におけるプローブ先端の他の実施例を示す拡大断面図。
【図４】（Ａ）本発明の第４実施形態に係る金属積層造形装置の構成図、（Ｂ）その動作説明図。
【図５】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）第４実施形態に係る金属積層造形方法の工程図。
【図６】（Ａ）本発明の各実施形態により製造された金属積層造形物の断面組織観察図、（Ｂ）比較例としてパルスレーザ照射を実施しない場合の金属積層造形物の断面組織観察図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る金属積層造形装置１０のブロック図である。図１（Ｂ）は造形工程における金属積層造形物の縦断面図である。図１（Ｃ）はその上面図である。
【００１４】
このように金属積層造形装置１０は、造形素材２１を供給する素材供給部１１と、エネルギービーム１６を出力し造形素材２１を溶融させる熱源１２と、少なくともエネルギービーム１６を走査させる移動駆動部１８と、降温過程における造形素材２１の凝固部２１ａに対しパルスレーザ１７を照射するレーザ照射部１５と、を備えている。
【００１５】
移動駆動部１８は、造形対象物に沿ってエネルギービーム１６、パルスレーザ１７及び造形素材２１が走査されるように熱源１２、レーザ照射部１５及び素材供給部１１を駆動するものである。なお移動駆動部１８の動作は、熱源１２、レーザ照射部１５及び素材供給部１１を二次元的又は三次元的に移動させる場合の他に、それぞれを回転駆動させたりレーザの反射鏡を回転駆動させたりする場合も含まれる。
【００１６】
なお実施形態において移動駆動部１８は、造形対象物を静止させて熱源１２、レーザ照射部１５及び素材供給部１１を移動させるように図示されているが、その関係が逆であってもよい。また、パルスレーザ１７が走査されることは、必須の要件ではなく、停止して照射される場合や、離散的に移動して照射される場合もある。
【００１７】
素材供給部１１は、図１において、造形素材２１として粉体を供給するものを例示しているが、後述するようにワイヤーを供給するものである場合もある。また熱源１２は、図１において、エネルギービーム１６としてレーザビームを出力するものを例示しているが、後述するようにアークや電子ビームを出力するものである場合もある。第１実施形態において造形素材２１（金属粉体）は、エネルギービーム１６とともに走査されながら噴射されて溶融する。
【００１８】
造形素材２１が基材２３の表面で溶融すると基材２３の一部もまきこんで溶融され溶融部２１ｂが形成される。この溶融部２１ｂが基材２３の表面を走査することによりその軌跡においてこの溶融部２１ｂが凝固した凝固部２１ａが形成される。さらに基材２３のうち溶融しないが熱影響を受けた部分が熱影響部２４として形成される。
【００１９】
なお、図示において基材２３上に、第１層目の造形素材の凝固部２１ａが形成される場合を示しているが、第ｎ層目（ｎ≧２）の造形素材の凝固部２１ａが形成される場合も、同様である。この場合、上述の「基材２３」を「第ｎ−１層目（ｎ≧２）の凝固部２１ａ」と読み替えて説明される。
【００２０】
レーザ照射部１５から照射されるパルスレーザ１７は、所定のパルスエネルギー[Ｊ]とパルス幅[ｓ]を有している。さらにレンズ又は凹面鏡で構成される集光光学系（図示略）により、このパルスレーザのビーム径を収束し、パワー密度[Ｗ／ｃｍ2]を向上させたパルスレーザ１７が出力される。ここでパワー密度Ｉは、パルスピークパワーＰ[Ｗ]、パルス幅τ[ｓ]、パルスエネルギーＥ[Ｊ]、ビーム径φ[ｃｍ]として次式（１）のように表される。
Ｉ＝Ｐ／Ｓ＝Ｅ／τＳ  （１）  （Ｐ＝Ｅ／τ，Ｓ＝πφ2／４）
【００２１】
パルスレーザ１７が造形素材２１の凝固部２１ａに照射されると、この凝固部２１ａの内部に衝撃波を伝搬させる。なおパルスレーザ１７の照射は、一層毎に実施してもよいし、複数層をまとめて実施してもよい。また図１において、パルスレーザ１７の照射は、エネルギービーム１６の出力と同時に行われ、溶融部２１ｂが凝固した直後の降温過程における凝固部２１ａに対し行う場合を例示している。しかしこれに限定されることはなく、エネルギービーム１６の出力を停止した後の冷却過程における凝固部２１ａに対して行ってもよい。ここで、「降温過程」とは、凝固部２１ａが形成された直後の融点温度から常温まで温度が降下する期間を指し、温度勾配が負を示す期間に限定されず、広い範囲でみて温度が降下していればよい。例えば、常温に到達する前に一時的に温度が上昇する期間も「降温過程」に含まれる。
【００２２】
このパルスレーザ１７は、照射位置におけるパワー密度が１０7 Ｗ／ｃｍ2以上に設定されることが好ましい。パルスレーザ１７のパワー密度がこのような範囲で設定されることにより、凝固部２１ａに少なくとも弾性衝撃波を内部伝搬させることができる。この弾性衝撃波が凝固部２１ａに内部伝搬して溶融部２１ｂとの固液界面２２に到達すると、この固液界面２２で成長する結晶を微細化させることができる。
【００２３】
一般に、高パワー密度のパルスレーザ１７が物質に照射されると、瞬間的に表面に高温・高圧状態が形成されて、激しい電離やプラズマ化によって爆発的に蒸発するアブレーションが発生する。物質表面でアブレーションが発生すると、蒸発反跳力により発生した衝撃波が、物質内部を伝搬するようになる。なおパルスレーザ１７のパワー密度が、１０7Ｗ／ｃｍ2よりも小さいと、パルスレーザ１７の照射スポットで、衝撃波が発生するのに十分なレーザアブレーションが発生しない。
【００２４】
衝撃波は、固体中の伝搬速度が音速より大きく、音速で伝搬する超音波よりも早く固体中を伝搬する。そして、圧力がある値以下の衝撃波は、固体に可逆変形を生じさせるが永久変形を生じさせない弾性衝撃波に分類される。また、その圧力がある値以上の衝撃波は、物質に永久変形を生じさせる塑性衝撃波に分類される。この塑性衝撃波は、弾性衝撃波に追随して固体中を伝搬する。
【００２５】
凝固部２１ａの照射スポットから内部伝搬する弾性衝撃波が、溶融部２１ｂとの固液界面２２の一部に達すると、レイリー波となって固液界面２２の全面を一様に伝搬する。このように固液界面２２に到達した弾性衝撃波は、さらに溶融部２１ｂを伝播する過程でキャビテーションを発生させデンドライトの枝を分断し、方位を揃えて成長しようとする柱状晶の発生を抑制する。そして、溶融部２１ｂにおける凝固核生成を活性化し、凝固部２１ａの金属組織を微細化させる（図６（Ａ）参照）。
【００２６】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る金属積層造形装置１０では、レーザ照射部１５が照射するパルスレーザ１７は、照射位置におけるパワー密度が１０12 Ｗ／ｃｍ2以上である。このように第２実施形態では、第１実施形態よりもパワー密度が高く設定されたパルスレーザ１７が照射されることにより弾性衝撃波に加えて塑性衝撃波が発生するようになる。
【００２７】
発生した塑性衝撃波が凝固部２１ａや熱影響部２４などの固相を伝搬すると、新たに転位が導入され、結晶内の転位密度が増加する。溶融部２１ｂが凝固した後の熱間状態にある凝固部２１ａに蓄積された転位は、低エネルギー構造をとるために結晶粒内を移動して再配置する。その結果、この結晶粒内に新たな粒界が生成し、金属組織が微細化され凝固部２１ａ及び熱影響部２４の機械的特性を向上させる。
【００２８】
結晶粒内における転位の再配置は、造形素材２１の融点Ｔmの絶対温度値の４０％以上の温度で、短時間に終了する。このことから、パルスレーザ１７の照射は、エネルギービーム１６の出力を停止した後、凝固部２１ａの温度Ｔが０．４Ｔm≦Ｔ＜Ｔmの範囲の降温過程において行うことが望ましい。
【００２９】
ここで、既存の凝固部２１ａにさらに新たな凝固部（図示略）が積層される場合を検討する。この場合も、このパルスレーザ１７が照射されると塑性衝撃波が誘起され、新たな凝固部（図示略）の金属組織の微細化を図りつつさらに下層にも伝播する。そして、既存の凝固部２１ａのさらなる金属組織の微細化が図られる。
【００３０】
パルスレーザ１７は、上記式（１）のカッコ内に示すように、発振持続時間に相当するパルス幅τを短くすることにより、瞬間的に高いピークパワーＰを実現することができる。具体的には、ナノ秒パルスレーザ、ピコ秒パルスレーザ、フェムト秒パルスレーザと呼称される短パルスレーザが好適に用いられる。
【００３１】
第１実施形態のように少なくとも弾性衝撃波を誘起させる短パルスレーザの仕様（Ａ）、第２実施形態のように弾性衝撃波及び塑性衝撃波を誘起させる短パルスレーザの仕様（Ｂ）は次の通りである。
（Ａ）凝固部２１ａに少なくとも弾性衝撃波を誘起させる短パルスレーザの仕様
パルス幅：１００[ｎｓ]以下
パワー密度：１×１０7[Ｗ／ｃｍ2]以上
（Ｂ）凝固部２１ａに弾性衝撃波及び塑性衝撃波を誘起させる短パルスレーザの仕様
パルス幅：１００[ｐｓ]以下
パワー密度：１×１０12[Ｗ／ｃｍ2]以上
【００３２】
造形素材２１及び基材２３がジュラルミン等の析出硬化型合金である場合、エネルギービーム１６の入熱により凝固部２１ａ中の析出相が母相に固溶してしまい、凝固部２１ａ及び熱影響部２４の機械的性質が母材に比較して低下した状態になっている。
【００３３】
そのような状態において、凝固直後の余熱が十分に残留し熱間状態にある凝固部２１ａ及び熱影響部２４に対し、塑性衝撃波を伝搬させると、母相に格子欠陥が高密度に誘起され、これが核生成サイトとなって、母相に過飽和に固溶していた析出硬化元素が析出される。これにより、凝固部２１ａ及び熱影響部２４において一旦消失した析出硬化が回復し機械的性質が向上する。
【００３４】
上述したような、加工硬化や析出硬化の効果が期待される造形素材２１の材質として、アルミニウム合金、高張力鋼、加工硬化したオーステナイト系ステンレス鋼等、入熱により軟化してしまうものが挙げられる。とりわけ、析出強化型合金の例として、Ａｌ合金（２０００系、６０００系、７０００系）、Ｎｉ基耐熱超合金（インコネル７１８等）、析出硬化系ステンレス鋼（ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１、マルエージング鋼等）が挙げられる。
【００３５】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る金属積層造形装置１０では、パルスレーザ１７は、エネルギービーム１６と所定の間隔Ｌを保ちながら走査される。このとき、凝固部２１ａと溶融部２１ｂとの固液界面２２の温度は、造形素材２１の融点Ｔmである。パルスレーザ１７が照射される上流端と固液界面２２との距離は、Ｌ−ｄと表される。ここで、ｄはエネルギービーム１６の熱源中心と固液界面２２との間の距離であり、予め実測される。走査速度ｖは、パルスレーザ１７が未照射の状態で凝固部２１ａが最良状態となるように決定される。走査速度ｖに対する凝固部２１ａの冷却速度ｇ(ｖ)は予め実測される。
【００３６】
パルスレーザ１７が照射される上流端の温度Ｔは、次式（２）で表される。
Ｔ＝Ｔm−ｇ(ｖ)・(Ｌ−ｄ)／ｖ    （２）
式（２）において、Ｔm，ｄ，ｇ(ｖ)，ｖは既知であるため、Ｌを変化させることによって、パルスレーザ１７が照射される上流端のＴを決定することができる。また、式（２）より、エネルギービーム１６を走査させる限りにおいて、パルスレーザ１７が照射される凝固部２１ａは、降温過程にあるといえる。
【００３７】
パルスレーザ１７により誘起された弾性衝撃波は、凝固部２１ａ内を伝搬するとともに大きく減衰するものである。このため、パルスレーザ１７とエネルギービーム１６と間隔Ｌが一定に保たれていることにより、固液界面２２に到達する弾性衝撃波の圧力は一定に保たれる。これにより、凝固部２１ａにおける金属組織の微細化を均一化することができる。
【００３８】
またパルスレーザ１７により誘起された塑性衝撃波による転位の導入量並びに金属組織の微細化は、凝固部２１ａの温度に大きく依存するものである。パルスレーザ１７とエネルギービーム１６と間隔Ｌが一定に保たれていることにより、パルスレーザ１７の照射スポットにおける凝固部２１ａの温度は一定に制御される。これにより、凝固部２１ａにおける転位の導入量並びに金属組織の微細化を均一化することができる。
【００３９】
なお金属積層造形装置１０に、Ｘ線残留応力測定器（図示略）を付属させ、凝固部２１ａの形成過程においてその残留応力の状態をリアルタイムで計測することができる。この残留応力の状態計測結果に基づいて、パルスレーザ１７とエネルギービーム１６との間隔Ｌを最適化調整することができる。また、凝固部２１ａを一層あるいは複数層積んだ後に、Ｘ線残留応力測定器によって残留応力を測定し、引張残留応力がある値以上残っている場合は、その応力がある値以下になるようにパルスレーザ１７のみを照射してもよい。
【００４０】
図２（Ａ）は第１〜第３実施形態に係る金属積層造形装置のプローブ先端２５の実施例を示す拡大断面図である。なお、図２（Ａ）において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。図２（Ａ）は、エネルギービーム１６であるレーザビームが、ノズル２７の中心に設けられた照射孔から照射される。そして、造形素材２１である金属粉末が、レーザビームの照射孔の周囲に設けられた供給孔から供給される。さらに、溶融部２１ｂの周辺雰囲気を不活性にするためのパージガス２６がノズル２７から供給される。
【００４１】
図２（Ｂ）は第１〜第３実施形態におけるプローブ先端２５の他の実施例を示す拡大断面図である。なお、図２（Ｂ）において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。図２（Ｂ）は、造形素材２１である金属粉末が、中心軸に沿って供給され、エネルギービーム１６であるレーザビームが、この中心軸に対して斜め方向から交わるように照射される。
【００４２】
図３（Ａ）は第１〜第３実施形態に係る金属積層造形装置のプローブ先端２５の他の実施例を示す拡大断面図である。なお、図３（Ａ）において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。図３（Ａ）は、造形素材２１であるワイヤーが、ノズル２７の中心に設けられた供給孔から供給される。そして、エネルギービーム１６であるアークが、ワイヤ（造形素材２１）と基材２３とに電位差を設定することにより放電される。さらに、溶融部２１ｂの周辺雰囲気を不活性にするためのパージガス２６がノズル２７から供給される。
【００４３】
図３（Ｂ）は第１〜第３実施形態におけるプローブ先端の他の実施例を示す拡大断面図である。なお、図３（Ｂ）において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。図３（Ｂ）は、造形素材２１であるワイヤーが素材供給部１１から供給される。そして、エネルギービーム１６である電子ビームが、熱源１２である電子銃から出力される。さらに、溶融部２１ｂの周辺雰囲気を不活性にすることと、電子ビームを安定させるために基材２３を含め全体が真空引きされている。なおエネルギービーム１６に電子ビームを採用する場合は、磁界によるレンズを用いてビーム方向を変更するので、機械的な動きはなく、電気的な制御であることから高速な位置決めが可能となる。なお造形素材２１としてワイヤーを用いる場合に、エネルギービーム１６にレーザビームを採用する場合もある。
【００４４】
（第４実施形態）
図４（Ａ）は本発明の第４実施形態に係る金属積層造形装置の構成図であり、図４（Ｂ）はその動作説明図である。なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。なお第４実施形態においてエネルギービーム１６は、レーザビーム及び電子ビームのいずれも採用することができる。
【００４５】
第４実施形態の移動駆動部１８は、薄く敷き詰めた造形素材２１に沿ってエネルギービーム１６及びパルスレーザ１７が走査されるように熱源１２及びレーザ照射部１５を駆動するものである。なお移動駆動部１８の動作は、熱源１２及びレーザ照射部１５を平面移動させる場合の他に、それぞれを回転駆動させたりレーザの反射鏡を回転駆動させたりする場合も含まれる。
【００４６】
第４実施形態における金属積層造形装置１０の素材供給部１１は、下降する第１ステージ３５に造形素材２１としての粉体を敷き詰めてエネルギービーム１６及びパルスレーザ１７を入力する第１容体３１と、上昇する第２ステージ３４と共に造形素材２１としての粉体を保持させる第２容体３２と、この第２容体３２の上部にせり出した粉体（造形素材２１）を第１容体３１の第１ステージ３５上に移行させる移行手段３６と、を有している。
【００４７】
そして図４（Ｂ）に示すように、第２ステージ３４は、１ステップにつき数１０μｍ上昇し、移行手段３６はもち上った粉体２１を掻き取り第１容体３１の方向に移動させる。第１容体３１の第１ステージ３５は一回の造形厚さ分だけ下降し、そのスペースに移行手段３６によって粉体２１が供給され、敷き詰められる。余った粉体２１は第３容体３３に落下して溜められ、再利用される。
【００４８】
図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）は第４実施形態に係る金属積層造形方法の工程図である。図５（Ａ）の上側に示すように、第１ステージ３５の上面に基材２３を固定し、この基材２３に一層目の造形素材２１（金属粉体）を敷き詰め、図５（Ａ）の下側に示すように、エネルギービーム１６及びパルスレーザ１７を環状に走査して造形素材２１を溶融・凝固させ、凝固部２１ａを形成する。
【００４９】
一層目のエネルギービーム１６及びパルスレーザ１７の走査が終了したところで、第１ステージ３５を一層分の厚さ（積層ピッチ分）だけ降下し、そこに新たな造形素材２１を敷き詰め、エネルギービーム１６及びパルスレーザ１７を環状に走査して凝固部２１ａを形成する。
【００５０】
そして図５（Ｂ）に示すように、第１ステージ３５の下降を複数回繰り返すことにより、凝固部２１ａを順次積層して、造形体を形成する。そして図５（Ｃ）に示すように、この造形体を、未溶融の造形素材２１（金属粉体）及び基材２３とともに取り出す。そして、図５（Ｄ）に示すように未溶融の造形素材２１（金属粉体）を除去して、図５（Ｅ）に示すように基材２３を分離して、図５（Ｆ）に示すように造形体を取り出す。
【００５１】
図６（Ａ）は本発明の各実施形態により製造された金属積層造形物の断面組織観察図であり、図６（Ｂ）は比較例としてパルスレーザ１７の照射を実施しない場合の金属積層造形物の断面組織観察図である。図６（Ａ）に示すように、パルスレーザ１７の照射により誘起された弾性衝撃波が溶融部２１ｂの固液界面２２における結晶粒の成長を阻害し、さらに誘起された塑性衝撃波が凝固部２１ａの転位密度を増加させ結晶粒内に新たな粒界が形成されることにより金属組織を微細化することが観察される。
【００５２】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の金属積層造形装置によれば、透明な媒質（例えば水）を用いることなくパルスレーザを照射して、衝撃波を伝搬させ金属組織の微細化を図ることができる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１０…金属積層造形装置、１１…素材供給部、１２…熱源、１５…レーザ照射部、１６…エネルギービーム（レーザビーム、電子ビーム、アーク放電）、１７…パルスレーザ、１８…移動駆動部、２１…造形素材（金属粉体、ワイヤー）、２１ａ…凝固部、２１ｂ…溶融部、２２…固液界面、２３…基材、２４…熱影響部、２５…プローブ先端、２６…パージガス、２７…ノズル、３１…第１容体、３２…第２容体、３３…第３容体、３４…第２ステージ、３５…第１ステージ、３６…移行手段。
【図１】
2020045383.tif 000003
【図２】
2020045383.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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【手続補正書】
【提出日】令和3年2月22日(2021.2.22)
【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】
造形素材を供給する素材供給部と、
エネルギービームを出力し前記造形素材を溶融させる熱源と、
少なくとも前記エネルギービームを走査させる移動駆動部と、
前記溶融してから凝固後の降温過程における温度Ｔが０．４Ｔm≦Ｔ＜Ｔm（融点）の範囲にある前記造形素材の凝固部に対し、パワー密度が１０7 Ｗ／ｃｍ2以上のパルスレーザを照射するレーザ照射部と
を備えることを特徴とする金属積層造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の金属積層造形装置において、
前記エネルギービームの出力先に前記造形素材が供給される金属積層造形装置。
【請求項３】
請求項１に記載の金属積層造形装置において、
前記素材供給部は、
下降する第１ステージに前記造形素材としての粉体を敷き詰めて前記エネルギービーム及び前記パルスレーザを入力する第１容体と、
上昇する第２ステージと共に前記粉体を保持させる第２容体と、
前記第２容体の上部にせり出した前記粉体を前記第１容体の前記第１ステージ上に移行させる移行手段と、を有する金属積層造形装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記エネルギービームの出力と同時に前記パルスレーザの照射が行われる金属積層造形装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記パルスレーザは、照射位置におけるパワー密度が１０12 Ｗ／ｃｍ2以上である金属積層造形装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記パルスレーザは、前記エネルギービームと所定の間隔を保ちながら走査される金属積層造形装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
前記造形素材は粉体として供給され、
前記エネルギービームは、レーザビーム又は電子ビームである金属積層造形装置。
【請求項８】
請求項２に記載の金属積層造形装置において、
前記造形素材は、ワイヤーとして供給され、
前記エネルギービームは、レーザビーム、アーク放電又は電子ビームである金属積層造形装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の金属積層造形装置において、
既に形成された前記造形素材の凝固部に対し、さらに前記造形素材の凝固部を形成する金属積層造形装置。
【請求項１０】
造形素材を供給するステップと、
エネルギービームを走査させながら出力し前記造形素材を溶融させるステップと、
前記溶融してから凝固後の降温過程における温度Ｔが０．４Ｔm≦Ｔ＜Ｔm（融点）の範囲にある前記造形素材の凝固部に対し、パワー密度が１０7 Ｗ／ｃｍ2以上のパルスレーザを照射するステップと、を含むことを特徴とする金属積層造形方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の金属積層造形方法において、
前記エネルギービームの出力先に前記造形素材が供給される金属積層造形方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係る金属積層造形装置において、造形素材を供給する素材供給部と、エネルギービームを出力し前記造形素材を溶融させる熱源と、少なくとも前記エネルギービームを走査させる移動駆動部と、前記溶融してから凝固後の降温過程における温度Ｔが０．４Ｔm≦Ｔ＜Ｔm（融点）の範囲にある前記造形素材の凝固部に対し、パワー密度が１０7 Ｗ／ｃｍ2以上のパルスレーザを照射するレーザ照射部と、を備えることを特徴とする。
【国際調査報告】
2020045383.tif 000009
2020045383.tif 000010
2020045383.tif 000011
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