(57)【要約】  スパッタの発生を低減できる金属造形物の製造方法を提供することを目的とし、本発明は、チャンバー内の金属粉体の周囲に供給されるシールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて前記金属粉体に熱を供給し、金属層を造形して、前記金属層を積層する金属造形物の製造方法であって、温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける前記シールドガスの単位体積あたりの質量が、１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下である、金属造形物の製造方法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内の金属粉体の周囲に供給されるシールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて前記金属粉体に熱を供給し、金属層を造形して、前記金属層を積層する金属造形物の製造方法であって、
温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける前記シールドガスの単位体積あたりの質量が、１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下である、金属造形物の製造方法。
【請求項２】
前記シールドガスが、シールドガス１００体積％に対し２０体積％以上のヘリウムを含む、請求項１に記載の金属造形物の製造方法。
【請求項３】
前記シールドガスが、シールドガス１００体積％に対し５体積％以下の酸素を含む、請求項１又は２に記載の金属造形物の製造方法。
【請求項４】
前記チャンバー内のゲージ圧力が０〜０．１ＭＰａである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属造形物の製造方法。
【請求項５】
前記金属粉体に合わせて、前記シールドガスの組成を選択する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の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、金属造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと称される付加製造技術がある。付加製造技術は、任意の形状の立体構造物を任意の材料で製造できるため、航空機産業及び医療等の先端技術分野で有望な技術として注目されている（特許文献１）。
付加製造技術を利用する装置の一例として、金属３Ｄプリンターが知られている。金属３Ｄプリンターは、レーザー等のエネルギー線で金属粉体を加熱して得られる金属層を積層し、金属造形物を製造できる。【０００３】
金属粉体をレーザー等で加熱すると、スパッタとよばれる溶融金属の飛散物が副生成物として発生し、スパッタが装置のチャンバー内で飛散する。スパッタの発生は、例えば、下記に記すような問題の原因となる可能性がある。【０００４】
スパッタの一部は、チャンバー内で飛散したのち、金属粉体の表面に落下する。金属粉体の表面に落下したスパッタは、レーザーによって再度加熱されることになる。その結果、何度も加熱された金属を含む金属造形物ができてしまう。そのためスパッタの発生は、金属造形物の機械的強度が低下する原因となり得る。【０００５】
レーザーが通過する領域に、スパッタが飛散していると、レーザーの照射がスパッタによって妨害される。その結果、金属粉体への熱エネルギーの供給量が不安定になり、金属粉体の加熱が不十分となる。そのためスパッタの発生は、金属造形物の表面粗さ及び機械的強度が低下する原因となり得る。【０００６】
特許文献１は、粉体ディスペンサと、粉体ディスペンサに粉体を供給するように構成された粉体供給アセンブリとを備える付加製造装置を開示している。特許文献１に記載の粉体供給アセンブリは、ふるい（シーブ）を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−３０３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら特許文献１に記載の付加製造装置にあっては、スパッタの発生を根本的に低減することについて何ら検討されていない。また、特許文献１に記載の付加製造装置にあっては、ふるいの網目より細かく、小さなスパッタを除去できない。
そのため、特許文献１に記載の付加製造装置にあっては、スパッタの発生に起因する上述の問題が必然的に発生する。【０００９】
本発明は、スパッタの発生を低減できる金属造形物の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は以下の金属造形物の製造方法を提供する。
［１］  チャンバー内の金属粉体の周囲に供給されるシールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて前記金属粉体に熱を供給し、金属層を造形して、前記金属層を積層する金属造形物の製造方法であって、温度２５℃、圧力０．１ＭＰａにおける前記シールドガスの単位体積あたりの質量が、１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下である、金属造形物の製造方法。
［２］  前記シールドガスが、シールドガス１００体積％に対し２０体積％以上のヘリウムを含む、［１］の金属造形物の製造方法。
［３］  前記シールドガスが、シールドガス１００体積％に対し５体積％以下の酸素を含む、［１］又は［２］の金属造形物の製造方法。
［４］  前記チャンバー内のゲージ圧力が０〜０．１ＭＰａである、［１］〜［３］のいずれかの金属造形物の製造方法。
［５］  前記金属粉体に合わせて、前記シールドガスの組成を選択する、［１］〜［４］のいずれかの金属造形物の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の金属造形物の製造方法によれば、スパッタの発生を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態の金属造形物の製造方法を適用可能な金属造形物の製造装置の構成を示す模式図である。
【図２】実施例１及び比較例１におけるスパッタの発生の挙動を示す写真である。左側の写真は、１００体積％のアルゴンガスの存在下で、レーザー照射を行った際のスパッタの発生の挙動を示す（比較例１）。右側の写真は、１００体積％のヘリウムガスの存在下で、レーザー照射を行った際のスパッタの発生の挙動を示す（実施例１）。
【図３】実施例１及び比較例１におけるスパッタの発生量を示すグラフである。
【図４】材料粉体再利用の工程を示す工程図である。
【図５】各種シールドガスにおける残留金属粉体の質量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書において、気体の「単位体積あたりの質量［ｇ／ｃｍ３］」は、ガス密度計（横河電機社製）を用いて、温度２５℃、圧力０．１ＭＰａの条件下で測定される値である。
本明細書において、「ゲージ圧力」とは、ブルドン管圧力計を用いて、２５℃の条件下で測定される値である。
本明細書において、数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。
【００１４】
以下、本実施形態に係る金属造形物の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１５】
図１は、本実施形態の金属造形物の製造方法を適用可能な金属造形物の製造装置２０の構成を示す模式図である。図１に示すように、金属造形物の製造装置２０は、レーザー発振機１と、光学系２と、チャンバー３と、シールドガスの供給源４とを備える。
以下、金属造形物の製造装置２０の構成について説明する。
【００１６】
レーザー発振機１は、レーザーを照射できる形態であれば特に限定されない。レーザー発振機１は光学系２を経由させて、レーザーをチャンバー３内に照射する。これにより金属造形物の製造装置２０は、レーザーが照射された位置の金属粉体を焼結又は溶融固化することができる。その結果、金属粉体の焼結物又は金属粉体の溶融固化物を含む層（以下、「金属層」と記す。）がチャンバー３内で造形される。
【００１７】
光学系２はレーザー発振機１から金属粉体に照射されるレーザーの反射位置をあらかじめ入力されたデータにしたがって制御できる形態であれば、特に限定されない。光学系２は、例えば一以上の反射鏡で構成できる。
金属造形物の製造装置２０は、あらかじめ入力されたデータにしたがって光学系２を制御することで、金属粉体へのレーザーの照射位置を制御できる。これにより、金属造形物の製造装置２０は、任意の形状に金属層を造形できる。
【００１８】
金属粉体としては、カーボン、ホウ素、マグネシウム、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、モリブテン、コバルト、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、チタン、アルミニウム等の各種の金属及びこれらの合金の粉末が例示される。
金属粉体が粒子状である場合、金属粉体の金属粒子の粒径は特に限定されないが、例えば１０〜２００μｍ程度とすることができる。
【００１９】
チャンバー３は、金属粉体にレーザーを照射して金属層を造形し、金属層を積層する操作が繰り返し行われる筐体である。チャンバー３は内部にシールドガスを充満させることができる形態であれば特に限定されない。
チャンバー３の上方の側面は、管路７と接続されている。チャンバー３には、管路７を介してシールドガスの供給源４からシールドガスが導入されている。シールドガスは、チャンバー３内の金属粉体の周囲に供給される気体である。
【００２０】
チャンバー３は、造形ステージ５を有している。造形ステージ５は、金属層の造形と造形した金属層の積層とを繰り返すための場である。造形ステージ５の上面にはベースプレート６が載置されている。
ベースプレート６は、金属造形物を載置するための板である。図１に示す状態では、ベースプレート６の上側には、金属粉体が敷き詰められている。
ベースプレート６は、金属造形物の最下層を構成する金属層と接触する。金属造形物の最下層を構成する金属層は、金属造形物を製造する際に最初に照射されるレーザーによって造形される金属層である。
【００２１】
以上説明した構成を備える金属造形物の製造装置２０を用いて、図１を参照しながら本実施形態に係る金属造形物の製造方法について、具体的に説明する。
本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスの存在下で、エネルギー線を用いて金属粉体に熱を供給し、金属層を造形して、金属層を積層する。
【００２２】
まず、金属層の造形の前に、シールドガスの供給源４からチャンバー３内にシールドガスを供給する。これにより、チャンバー３内にシールドガスを充満させることが可能である。
ただし、本実施形態の金属造形物の製造方法では、チャンバー３内にシールドガスを供給する前に、チャンバー３内に残留している酸素をチャンバー３内からパージすることが好ましい。これにより、金属造形物の機械的強度が向上する。酸素のパージに際しては、パージガスとしてシールドガスを用いてもよく、パージの方法は特に限定されない。
具体的にはチャンバー３内の酸素の濃度が５体積％以下になるまでパージを行うことが好ましい。チャンバー３内の酸素が５体積％以下であると、金属粉体が酸化しにくく、金属造形物の機械的強度がさらに向上する。
【００２３】
本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスの単位体積あたりの質量は、１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下である。シールドガスの単位体積あたりの質量は８．８１×１０−４ｇ／ｃｍ３以下が好ましく、３．００×１０−４ｇ／ｃｍ３以下がより好ましく、１．６０×１０−４ｇ／ｃｍ３以下がさらに好ましい。シールドガスの単位体積あたりの質量が１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下であることにより、スパッタの発生量が低減される。シールドガスの単位体積あたりの質量の下限値は特に制限されないが、例えば、１．００×１０−４ｇ／ｃｍ３以上とすることができる。
【００２４】
本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスは、水素、ヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン及びキセノンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、水素、ヘリウム、窒素及びネオンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことがより好ましく、水素及びヘリウムのいずれか一方又は両方を含むことがさらに好ましく、ヘリウムを含むことが特に好ましい。シールドガスは、これらのガス成分を１種単独で含んでもよく、２種以上を併用して含んでもよい。シールドガスは、ヘリウムを１種単独で含むことが最も好ましい。
【００２５】
本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスはヘリウムを含むことが好ましい。シールドガスがヘリウムを含むと、シールドガスの単位体積あたりの質量を前述の範囲に制御しやすくなる。シールドガスがヘリウムを含む場合、シールドガスのヘリウムの含有量は、シールドガス１００体積％に対し２０体積％以上が好ましく、５０体積％以上がより好ましく、９０体積％以上がさらに好ましい。シールドガスが、シールドガス１００体積％に対し２０体積％以上のヘリウムを含む場合、スパッタの発生量がさらに低減される。ヘリウムの含有量の上限値は特に制限されないが、１００体積％以下が特に好ましい。
【００２６】
シールドガスはアルゴンを含んでもよい。この場合において、シールドガスのヘリウムの含有量が、シールドガス１００体積％に対し２０体積％以上である場合、アルゴンの含有量は、シールドガス１００体積％に対し８０体積％以下が好ましい。これにより、シールドガスの単位体積あたりの質量を１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下に制御しやすくなる。
シールドガスがアルゴンを含む場合において、シールドガスのヘリウムの含有量が、シールドガス１００体積％に対し５０体積％以上である場合、アルゴンの含有量は、シールドガス１００体積％に対し５０体積％以下が好ましい。これにより、シールドガスの単位体積あたりの質量を８．８１×１０−４ｇ／ｃｍ３以下に制御しやすくなる。
シールドガスがアルゴンを含む場合において、シールドガスのヘリウムの含有量が、シールドガス１００体積％に対し９０体積％以上である場合、アルゴンの含有量は、シールドガス１００体積％に対し１０体積％以下が好ましい。これにより、シールドガスの単位体積あたりの質量を３．００×１０−４ｇ／ｃｍ３以下に制御しやすくなる。
【００２７】
本実施形態の金属造形物の製造方法では、シールドガスが酸素を含んでもよい。ただし、シールドガスが酸素を含む場合であっても、シールドガスの酸素の含有量は、シールドガス１００体積％に対し５体積％以下が好ましく、理想的には０体積％（すなわち検出限界値未満）が好ましい。シールドガスの酸素の含有量が５体積％以下であると、金属造形物の機械的強度が向上する。
【００２８】
本実施形態の金属造形物の製造方法では、チャンバー３内のゲージ圧力は０〜０．１ＭＰａが好ましく、０〜０．０５ＭＰａがより好ましく、０〜０．０３ＭＰａがさらに好ましい。ゲージ圧力が０．１ＭＰａ以下であると、スパッタの発生量がさらに低減される。
【００２９】
本実施形態の金属造形物の製造方法では、金属粉体の種類に合わせて、シールドガスの組成を選択することが好ましい。
例えば、オーステナイト系ステンレス鋼及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属は水素脆性感受性が低い。金属粉体がオーステナイト組織の金属を含む場合、金属粉体は酸化しやすく、これにより耐食性等が劣化しやすい。そのため、金属粉体がオーステナイト系ステンレス鋼、及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属を含む場合には、酸化防止の観点から、シールドガスとして水素ガス等の還元性ガスを適用することが好ましい。
金属粉体が鉄を主成分とする合金を含む場合には、水素脆性防止の観点から、シールドガス中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。
金属粉体がアルミ、チタン又は、これらを主成分とする合金を含む場合には、ブローホールの形成を防止する観点から、シールドガス中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。
【００３０】
チャンバー３内にシールドガスを供給した後、レーザー発振機１からエネルギー線としてレーザーをチャンバー３内の金属粉体に照射する。金属造形物の製造装置２０は、あらかじめ入力されたデータにしたがい、光学系２を制御し、チャンバー３内の金属粉体にレーザーを照射する。
レーザーの照射により、レーザーが照射された部分の金属粉体が焼結され、金属粉体の焼結物がレーザーの描画線に沿って任意の形状に造形される。その結果、金属層が任意の形状に造形される。
【００３１】
金属層の造形が終わると、造形ステージ５が下方に移動する。次に、造形した金属層の上側に新たに金属粉体が供給される。この新たに供給された金属粉体にレーザーが再度照射されることで、新たな金属層が任意の形状に造形されるとともに、すでに造形した金属層の上側に新たな金属層が積層される。このようにレーザーの照射と、造形ステージ５の下方への移動と、さらなる粉体の供給と、金属層の積層とをこの順で繰り返すことで、任意の形状の金属層が順次積層され、任意の形状の立体構造物として金属造形物を製造できる。
【００３２】
（作用効果）
以上説明した本実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、シールドガスの単位体積あたりの質量が１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下であるため、スパッタの発生量が低減される。
【００３３】
スパッタの発生量が低減される理由は必ずしも明確ではないが、例えば、以下のように考えられる。
金属造形物の製造装置２０では、ベースプレート６の表面に敷き詰められている金属粉体は、略球状であるため、金属粉体の粒子どうしの間には、空間が形成される。この金属粉体の粒子どうしの間の空間には、シールドガスが入り込む。この状態で金属粉体にレーザーを照射すると、ベースプレート６の表面の金属粉体が熱エネルギーによって溶融する。そのため、ベースプレート６の表面に金属粉体の溶融物を含む溶融プールが形成される。溶融プールは、流動性を示す溶融金属を意味する。
上述のように、溶融プールが形成される前の金属粉体の粒子どうしの間の空間には、シールドガスが入り込んでいる。そのため、これらのシールドガスも、レーザーの熱エネルギーによって加熱され、シールドガスの気体分子が運動エネルギーを得る。このようにして運動エネルギーを得たシールドガスが溶融プールから飛び出す際に、溶融金属がシールドガスとともに飛散し、スパッタが観測されると考えられる。
ここで、本実施形態に係る金属造形物の製造方法にあっては、シールドガスの単位体積あたりの質量が１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下であるため、溶融プールから飛び出すシールドガスの気体分子の運動エネルギーが相対的に小さくなる。そのため、溶融プールから飛散する溶融金属の飛散量が少なくなり、スパッタの発生量が低減されると考えられる。
【００３４】
スパッタの発生量が低減される理由は、他にも、以下のように考えられる。
出力が２００〜４００Ｗのレーザーを用いる場合、本発明の発明者らはベースプレート６の表面のレーザーの照射位置の温度は、２，５００℃以上の温度に達することを確認した。そのため、ベースプレート６の周囲では、金属粉体が気化して蒸発し、シールドガスが熱膨張すると考えられる。その結果、ベースプレート６の周囲では上昇気流が発生しやすくなる。この上昇気流は、レーザーの照射位置の周囲にある金属粉体を巻き上げることがあり、巻き上げられた金属粉体は、赤熱しながら上方に飛散する。このように、赤熱しながら飛散する金属粉体もスパッタとして観測される。
ここで、本実施形態に係る金属造形物の製造方法にあっては、シールドガスの単位体積あたりの質量が１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下であるため上昇気流を構成するシールドガスの気体分子の運動エネルギーが相対的に小さくなり、レーザーの照射位置の周囲から上昇気流に巻き込まれる金属粉体の量が小さくなる。その結果、スパッタの発生量が低減されると考えられる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態に係る金属造形物の製造方法にあっては、スパッタの発生量が低減される。そのため、スパッタが何度も加熱され、金属粉体に混入することが少なくなり、金属造形物の機械的強度が向上する。
また、レーザーが通過する領域に存在するスパッタの数を低減できるため、レーザーの照射がスパッタによって妨害されにくくなる。その結果、金属粉体への熱エネルギーの供給量が一定の値に保持されやすく、金属粉体を十分に加熱できるようになる。よって、本実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、金属造形物の表面粗さ及び機械的強度が向上する。
【００３６】
金属造形物の製造においては、金属造形物を製造した後のチャンバーに残存する金属粉体を再利用することが求められることがある。ところが、特許文献１に記載の従来の方法にあっては、製造後のチャンバーから回収される金属粉体に、細かいスパッタがどうしても混入してしまう。これに対し、本実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、スパッタの発生量が低減されるため、製造後のチャンバーから回収される金属粉体にスパッタが混入しにくくなり、回収される金属粉体の品質がよくなる。その結果、金属粉体の再利用における回収効率と、金属粉体の品質とがよくなる。
したがって、本実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、金属造形物の機械的強度等の品質を高めることができるとともに、金属造形物の生産効率を高めることができる。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。
【００３８】
例えば、以上説明した本実施形態では、金属造形物の製造装置は、ベースプレートの上側に敷き詰められている金属粉体にレーザーを照射する形態である。しかしながら、他の実施形態では、金属造形物の製造装置は、レーザーの照射位置に金蔵粉体を吹き付けながら供給する形態でもよい。
【００３９】
＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
【００４０】
（測定方法）
気体の「単位体積あたりの質量［ｇ／ｃｍ３］」は、ガス密度計（横河電機社製）を用いて、温度２５℃、圧力０．１ＭＰａの条件下で測定した。
「ゲージ圧力」は、ブルドン管圧力計を用いて、２５℃の条件下で測定した。
【００４１】
（実施例１）
金属造形物の製造装置２０で金属造形物の製造を行った。レーザー発振機１として、ＳＰＩ  Ｌａｓｅｒｓ社製のＲｅｄ  Ｐｏｗｅｒを使用した。また、光学系２はガルバノミラーを用いて構成した。ベースプレート６は、純チタン製のものを使用した。金属粉体としては、チタン合金Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ（ＬＰＷ  Ｔｈｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製、Φ１０〜４５μｍ）を使用した。また、レーザーの出力値を２００Ｗ、レーザーの走査幅を０．０５ｍｍ、レーザーの走査速度を８００ｍｍ／ｓとした。ベースプレート６上には、厚さ３０μｍの金属粉体の層を載置した。
実施例１ではシールドガスとして、１００体積％のヘリウムガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー３内に供給した。チャンバー内のゲージ圧力は、０ＭＰａであった。ここで、実施例１のシールドガスの単位体積あたりの質量は、１．６０×１０−４ｇ／ｃｍ３であった。
以上の条件で、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属造形物を製造した。なお、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属造形物は、金属層の一層分の造形物に相当する。
【００４２】
（比較例１）
比較例１ではシールドガスとして、１００体積％のアルゴンガスを使用した以外は、実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属造形物を製造した。ここで、比較例１のシールドガスの単位体積あたりの質量は、１．６０×１０−３ｇ／ｃｍ３であった。
【００４３】
図２は、実施例１及び比較例１におけるスパッタの発生の挙動を示す写真である。図２の左側の写真は、比較例１で１００体積％のアルゴンガスの存在下で、レーザー照射を行った際のスパッタの発生の挙動を示す写真である。図２の右側の写真は、実施例１で１００体積％のヘリウムガスの存在下で、レーザー照射を行った際のスパッタの発生の挙動を示す写真である。図２に示すように、シールドガスとして１００体積％のヘリウムガスを用いた場合、スパッタの発生量が減少していることを確認した。
【００４４】
図３は、実施例１及び比較例１におけるスパッタの発生量を示すグラフである。スパッタ発生量の測定には、当社開発のスパッタ計測システム（特願２０１８−０８１８９５）を用いた。本製品は、ビデオ撮影動画を画像解析することにより、スパッタの発生数をカウントすることができる。図３のグラフは、カウントされたスパッタ発生数を撮影フレーム数に対して図示したものであり、比較例１の１００体積％のアルゴンガス及び実施例１の１００体積％のヘリウムガスについての結果である。
なお、撮影フレーム数とは、動画において、単位時間あたりに処理させるフレーム数（静止画像数、コマ数）である。 通常、1秒あたりの数値（ｆｐｓ）で表す。実施例１では、撮影フレーム数０〜６０まで５未満のスパッタ発生数であり、したがってスパッタの大小にかかわらず、発生率が低減していることがわかる。これに対して比較例１では、実施例１と比較して撮影フレーム数にかかわらず、スパッタ発生数が多かった。
【００４５】
（実施例２〜６，比較例１〜３）
シールドガスの組成を表１に示す条件に変更した以外は実施例１と同様に、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属造形物を製造した。
【００４６】
（スパッタ発生量）  
実施例１〜６および比較例２および３における金属造形物の製造中、スパッタの発生量を目視で観察し、比較例１を基準として下記に示す評価基準でスパッタの発生量を評価した。
○：スパッタの発生頻度及び発生量が効果的に低減されていた。
△：スパッタの発生頻度及び発生量がやや低減されていた。
×：スパッタの発生頻度及び発生量が低減されていなかった。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
実施例１〜６では、シールドガスの単位体積あたりの質量が１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下であるため、スパッタの発生量の低減が観察された。
【００４９】
また、実施例３に示すように、シールドガスが酸素を５体積％含む場合でも、スパッタの発生量は、シールドガスが酸素を含まない比較例１より低水準であった。このことから、チャンバー３内の酸素ガスをパージする際には、必ずしも酸素の濃度を０に近づけなくとも、スパッタの発生量を低減できることが示唆される。そのため、パージの際に使用するシールドガスの量を低減でき、金属造形物の製造を低コスト化できる可能性がある。
【００５０】
なお、表１のうち酸素の濃度が「０」体積％と記載されているものがあるが、これは酸素の濃度が２０ｐｐｍ（すなわち酸素ガスの検出限界値）未満であることを意味する。
【００５１】
（実施例７〜１０および比較例４）
実施例７〜１０および比較例４では、実施例１〜６および比較例１〜３で用いた装置を使用して、各シールドガス条件におけるスパッタ発生量の定量を行った。
実施例７〜１０および比較例４では、以下の操作を変更した。
金属粉体の層（面積：１００ｍｍ×１００ｍｍ）にレーザーを照射して、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形の金属造形物を製造した。その金属造形物の上部に、再度金属粉体の層（面積１００ｍｍ×１００ｍｍ）を厚さ３０μｍで載置した。その後、レーザー照射を行った。
このような、金属粉体の載置→レーザー照射→金属粉体の載置→レーザー照射→…を約３５０回繰り返し、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの立方体の金属造形物を製造した。
金属造形物を製造後、孔径１００μｍのふるいを用いて、造形に使用されなかった金属粉体を分級した。１００μｍ以上のスパッタはふるいを通過することができず残留する。
図４に材料粉体再利用の工程を示す。実施例７〜１０および比較例４では、廃棄する残留金属粉体の質量を計測し、スパッタ発生量の定量を行った。
【００５２】
実施例７では、１００体積％のヘリウムガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー３内に供給した。チャンバー内のゲージ圧力は、０ＭＰａであった。ここで、実施例７のシールドガスの単位体積あたりの質量は、１．６０×１０−４ｇ／ｃｍ３であった。
【００５３】
実施例８では、ヘリウムガスとアルゴンガスを８０体積％と２０体積％の混合比で混合したガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー３内に供給した。チャンバー内のゲージ圧力は、０ＭＰａであった。ここで、実施例８のシールドガスの単位体積あたりの質量は、４．４８×１０−４ｇ／ｃｍ３であった。
【００５４】
実施例９では、ヘリウムガスとアルゴンガスを５０体積％と５０体積％の混合比で混合したガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー３内に供給した。チャンバー内のゲージ圧力は、０ＭＰａであった。ここで、実施例９のシールドガスの単位体積あたりの質量は、８．８０×１０−４ｇ／ｃｍ３であった。
【００５５】
実施例１０では、ヘリウムガスとアルゴンガスを２０体積％と８０体積％の混合比で混合したガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー３内に供給した。チャンバー内のゲージ圧力は、０ＭＰａであった。ここで、実施例１０のシールドガスの単位体積あたりの質量は、１．３１×１０−３ｇ／ｃｍ３であった。
【００５６】
比較例４では、１００体積％のアルゴンガスを３０Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー３内に供給した。チャンバー内のゲージ圧力は、０ＭＰａであった。ここで、比較例４のシールドガスの単位体積あたりの質量は、１．６０×１０−３ｇ／ｃｍ３であった。
【００５７】
図５では、各種シールドガスにおける残留金属粉体の質量を示す。シールドガスとして１００体積％のアルゴンガスを用いたとき（比較例４）の残留金属粉体の質量を１００％として、結果を記載した。実施例７の単位体積あたりの質量が１．３１×１０−３ｇ／ｃｍ３であるヘリウムガスとアルゴンガスを２０体積％と８０体積％の混合比で混合したガスでは、ふるいを通過せずに残留した金属粉体は２／３へ減少した。さらにシールドガスの単位体積あたりの質量が減少すると、残留金属粉体はさらに減少した。
【００５８】
以上実施例の結果から、シールドガスの単位体積あたりの質量が１．３０×１０−３ｇ／ｃｍ３以下であることにより、スパッタの発生量が効果的に低減されることが確認できた。
【符号の説明】
【００５９】
１…レーザー発振機、２…光学系、３…チャンバー、４…シールドガスの供給源、５…造形ステージ、６…ベースプレート、７…管路、２０…金属造形物の製造装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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