JP4519560B2 - 積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形方法に係り、より詳しくは、粉末を材料として目的とする立体形状を造形する積層造形方法に関する。

従来から、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で図面を作成した立体形状をラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping；以下、「ＲＰ」と略す）システムにより実体化することが、様々な分野で行われている。特に、積層造形方法を使用したＲＰシステムはマシニングセンタ等に比べて簡単な装置でありながら加工の自由度が高い。こうした長所を有する積層造形方法は、樹脂や紙を材料とするものに多く適用されてきたが、強度や経時・経年変化等の面で問題がある。このため、金属等を材料とする積層造形方法による立体造形の研究が盛んに進められている。

こうした金属等を材料とする立体の積層造形のうち、高強度の造形品を目指すものとして、（ａ）金属等の材料粉末の表面に樹脂を塗布した後、レーザ照射により加熱して溶融させた樹脂部を接着剤として機能させて断面要素を順次積層し、立体を造形する方法や、（ｂ）金属等の材料粉末を１種類のレーザ照射により直接加熱して溶融し、連続体を形成する方法が提案されている。こうした方法では、レーザ照射による所定領域の溶融及びその溶融部で凝固が起こる。しかし、こうした溶融及び凝固のみでは、造形された立体内部に空洞や樹脂が残留し、十分な強度が得られない。そこで、高温雰囲気中における残留樹脂成分の揮発や材料粒子の局所的な結合を促進させて焼結状態としたり、使用した金属等の材料よりも低融点材料を溶解して空洞部に浸透させたりする後処理が必要であり、こうした後処理により強度の向上を図っていた。

これに対し、最近になって、焼結や低融点材料といった後処理を必要とせずに高強度を達成できる金属等の積層造形方法が提案されている（非特許文献１参照；以下、「従来例１」と呼ぶ）。この従来例の積層造形方法では、図８に示されるように、まず、材料粉末９１を供給する（図８（Ａ）参照）。なお、図８（Ａ）には、目的形状の一部が既に内部に積層造形された圧縮材料体９８上に新たに積層造形される層のための材料粉末９１が供給される例が示されている。

引き続き、ブレード等を用いて材料粉末９１を平坦化させて、材料粉末層９２を形成する（図８（Ｂ）参照）。そして、材料粉体層９２を高い圧力Ｐで圧縮し、圧縮材料層９３を形成する（図８（Ｃ）参照）。

次に、比較的低パワーのレーザ光Ｌ１により、目的とする立体形状の積層方向（＋Ｚ方向）における圧縮材料層９３の位置の設計断面形状に応じた圧縮材料層９３の領域を照射する。この結果、照射領域の材料が加熱されて溶融する。そして、その溶融部へのレーザ光Ｌ１の照射を止めて凝固させる。この結果、圧縮材料層９３内に断面要素９５が形成される（図８（Ｄ）参照）。なお、レーザ光Ｌ１を適当な速度で、設計断面形状に応じた圧縮材料層９３の領域を走査することにより、材料を局所的に溶融して凝固させることが連続的に行われる。

次いで、レーザ光Ｌ１よりもパワーの高いレーザ光Ｌ２を、断面要素９５に照射して加熱し、既に積層造形されている部分と断面要素とを一体化させる。この結果、断面要素９５が新たに積層された積層造形体９７が形成される（図８（Ｅ）参照）。以後、上記と同様にして、順次積層造形を進行させることにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。

また、上記の従来例１における、材料粉体層を高い圧力Ｐで圧縮する工程を省略する技術も提案されている（非特許文献２参照；以下、「従来例２」と呼ぶ）。

徳永他 「２ステップレーザ照射法による純鉄粉体材料を用いた３次元造形」精密工学会誌 第65巻 第８号 第1136〜1140頁、平成11年８月５日 徳永他 「レーザによる金属粉体の高強度造形 −粉体の溶融結合特性−」2002年度 精密工学会秋季大会 講演論文集 第480頁、平成14年９月10日

上記の従来例１及び従来例２の積層造形方法は、それまでの高温雰囲気中における残留樹脂成分の揮発や材料粒子の局所的な結合を促進させて焼結状態としたり、使用した金属等の材料よりも低融点材料を溶解して空洞部に浸透させたりする後処理が必要な積層造形法と比べると、後処理の必要がないという点で非常に優れたものである。しかしながら、従来例１においては、例えば１００ＭＰａオーダーという非常に高い圧力で材料粉末層を積層方向に沿って圧縮する工程が必須であった。このため、従来技術の積層造形方法を使用して、高強度の立体を造形するには、大規模な圧縮装置が必要であるととともに、材料粉末層の形成場所である可動ステージ等も、こうした高い圧力に対する耐えられるものであることが必要であった。この結果、従来技術の積層造形方法を採用した積層造形装置は、大規模なものにならざるを得なかった。したがって、従来技術によっては、簡便に高強度の立体を造形することができるとはいい難かった。

また、従来例２においては、上記のような後処理の必要がないこと、非常に高い圧力で材料粉末層を積層方向に沿って圧縮する工程の必要はないが、最終的に達成される造形体における充填率は６０〜７０％程度であった。ここで、「充填率」とは、空隙部分の体積を全体積から差し引いた体積の全体積に対する割合をいう。すなわち、空隙率をαとした場合に、充填率は、（１−α）によって定義される。このため、更なる充填率の改善による更なる高強度の実現が望まれていた。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる積層造形方法を提供することを目的とする。

本発明の積層造形方法は、純鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末を材料として目的とする立体形状を造形する積層造形方法であって、材料粉末の種類に応じて定まる所定の厚さに前記材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する材料層形成工程と；前記目的とする立体形状における前記材料粉末層の積層位置の設計断面形状に応じた前記材料粉末層の領域を、第１レーザ光により走査し、局所的に加熱して溶融した後に凝固させて断面要素を形成する断面要素形成工程と；パルスレーザ光である第２レーザ光により前記断面要素を走査し、局所的に加熱して既に造形された部分と前記断面要素とを一体化させる一体化工程と；パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが前記第２レーザ光よりも高い第３レーザ光により前記一体化工程により一体化された断面要素を走査し、前記一体化された断面要素の表面を整形する表面整形工程と；を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形する積層造形方法であり、前記第１レーザ光は、ビーム直径ｄ ₁ ［ｍｍ］の連続発振レーザ光が焦点距離ｆ ₁ ［ｍｍ］の集光光学系を介した後の光であり、前記粉末材料層の厚さｔ［ｍｍ］は、前記第１レーザ光の焦点位置と前記粉末材料層の表面との間の距離をｚ ₁ ［ｍｍ］とした場合に、
ｔ＝ｋ・ω ₁ ＝ｋ・ｚ ₁ ・ｄ ₁ ／（２ｆ ₁ ）
ここで、３．２≦ｋ≦４．０
の条件を満たし、前記第１レーザ光のパワーＰＭ［Ｗ］及び走査速度ｖ［ｍｍ／ｓ］は、
ＰＭ＝Ａ・ｖ＋Ｂ
ここで、１０＜Ａ＜１１、２５＜Ｂ＜４０
の条件を満たし、前記第２レーザ光は、ビーム直径ｄ ₂ ［ｍｍ］、ピークパワーＰＷ［Ｗ］及びパルス幅８〜１２［ｍｓ］のパルスレーザ光が焦点距離ｆ ₂ ［ｍｍ］の集光光学系を介した後の光であり、前記ピークパワーＰＷ［Ｗ］は、前記第２レーザ光の焦点位置と前記断面要素の表面との間の距離をｚ ₂ ［ｍｍ］とした場合に、定数ａを６００、定数ｂを４７０として、
ＰＷ＝ａ・ω ₂ ＋ｂ＝ａ・ｚ ₂ ・ｄ ₂ ／（２ｆ ₂ ）＋ｂ
の条件を満たすとともに、（ω ₂ ／２）の距離を隔てて１パルスずつ、前記第２レーザ光が、順次、前記断面要素に照射される、ことを特徴とする積層造形方法である。

この積層造形方法では、材料層形成工程において、純鉄又は鉄を主成分とする合金の材料粉末の種類に応じて定まる所定の厚さに材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する。引き続き、断面要素形成工程において、目的とする立体形状における材料粉末層の積層位置の設計断面形状に応じた材料粉末層の領域を、材料を実質的に飛散させない第１レーザ光により走査し、局所的に加熱して溶融した後に凝固させる。
ここで、第１レーザ光は、ビーム直径ｄ ₁ ［ｍｍ］の連続発振レーザ光が焦点距離ｆ ₁ ［ｍｍ］の集光光学系を介した後の光であり、粉末材料層の厚さｔ［ｍｍ］は、第１レーザ光の焦点位置と粉末材料層の表面との間の距離をｚ ₁ ［ｍｍ］とした場合に、次の式の条件を満たしている。
ｔ＝ｋ・ω ₁ ＝ｋ・ｚ ₁ ・ｄ ₁ ／（２ｆ ₁ ）
ここで、３．２≦ｋ≦４．０
上記の定数ｋは、材料粉末層の材料が溶融された段階で、表面張力により液滴（粒状）とならず、ある程度広い面積を緩やかに加熱して溶融材料が材料粉末層に沈下するように選ばれる。溶融材料が材料粉末層に沈下するためには、厚さｔをある程度以上とすることが必要であるが、厚さｔを大きくしすぎると、断面要素が厚くなりすぎてしまい、造形体の形状精度を損ねることになってしまう。発明者が様々な実験の結果から得た知見によれば、粉末材料層の材料が、純鉄又は鉄を主成分とする合金である場合には、定数ｋが３．２≦ｋ≦４．０の条件を満たすことが望ましい。
また、第１レーザ光のパワーＰＭ［Ｗ］及び走査速度ｖ［ｍｍ／ｓ］は、次の式の条件を満たしている。
ＰＭ＝Ａ・ｖ＋Ｂ
ここで、１０＜Ａ＜１１、２５＜Ｂ＜４０
以上のように、粉末材料層の材料が、純鉄又は鉄を主成分とする合金である場合に、定数ｋ、第１レーザ光のパワーＰＭ及び走査速度ｖを選ぶことにより、溶融された段階で、表面張力により液滴（粒状）とならず、溶融材料が材料粉末層に沈下するようにすることができる。

次に、一体化工程において、第２レーザ光により断面要素を走査し、局所的に加熱して既に造形された部分と断面要素とを一体化させる。この結果、従来技術により得られるものと同質の断面要素から成る中間造形体が形成される。
ここで、第２レーザ光を、ビーム直径ｄ ₂ ［ｍｍ］、ピークパワーＰＷ［Ｗ］及びパルス幅８〜１２［ｍｓ］のパルスレーザ光が焦点距離ｆ ₂ ［ｍｍ］の集光光学系を介した後の光としている。そして、ピークパワーＰＷ［Ｗ］を、第２レーザ光の焦点位置と断面要素の表面との間の距離をｚ ₂ ［ｍｍ］とした場合に、定数ａを６００、定数ｂを４７０として、概ね次の式の条件を満たすように選んでいる。
ＰＷ＝ａ・ω ₂ ＋ｂ＝ａ・ｚ ₂ ・ｄ ₂ ／（２ｆ ₂ ）＋ｂ
こうして選ばれたピークパワーを有する第２レーザ光を、（ω ₂ ／２）の距離を隔てて１パルスずつ、順次、前記断面要素に照射すると、新たに形成された断面要素と、既に造形された部分とをしっかりと一体化させることができる。

次いで、表面整形工程において、パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが第２レーザ光よりも高い第３レーザ光により一体化工程により一体化された断面要素を走査し、当該一体化された断面要素の表面における閉ざされかかったくぼみを除去する整形を行い、当該一体化された断面要素の表面を平滑化する。このため、次層の造形のために行われる材料層形成工程により形成される材料粉末層における粉末を均等化することができ、最終的な造形体内に生じる空隙の発生を低減することができる。この結果、最終的な造形体における充填率を９０％以上に向上させることができるとともに、当該断面要素と既に造形された部分との一体化も強固なものとなる。

以後、材料層形成工程、断面要素形成工程、一体化工程及び表面整形工程とを繰り返し行うことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。

したがって、本発明の積層造形方法によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。

本発明の積層造形方法では、前記表面整形工程において、前記第３レーザ光のピークパワーを走査位置に応じて変化させることとすることができる。この場合には、第３レーザ光のピークパワーを走査位置に応じて変化させることにより、走査位置に応じて一体化された断面要素における表面付近の材料の一部を飛散させる程度を調整することができる。このため、一体化された断面要素における表面を平坦化させたり、表面付近における凹凸形状が所望の微細構造を有するように微細加工を行ったりすることができる。

また、本発明の積層造形方法では、前記第１レーザ光による特定線状領域の走査後に、前記特定線状領域に隣接する線状領域を前記第１レーザ光により走査する際には、前記特定線状領域の４０〜６０％が前記隣接する線状領域に含まれることとすることができる。特定線状領域を第１レーザ光により走査しただけでは、当該走査によって形成される造形物の走査方向に垂直な断面形状が弓なりとなってしまい、厚さが均一な断面要素を形成できない。しかし、特定線状領域に隣接する線状領域を第１レーザ光により走査する際に、特定線状領域の４０〜６０％が隣接する線状領域に含まれることとすることにより、厚さが均一化された板状の断面要素を形成することができる。ここで、特定線状領域と隣接する線状領域との重なり領域の面積の特定線状領域の面積に対する割合が小さいと断面要素の厚さのむらが大きくなってしまい、また、この割合が大きくなると断面形成工程に要する時間が長くなってしまうが、この割合を４０〜６０％とすると、断面要素の厚さのむらの発生を抑制しつつ、迅速に断面要素を形成することができる。

また、本発明の積層造形方法では、前記一体化工程と前記表面整形工程との間で、パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが前記第３レーザ光よりも高い第４レーザ光を照射し、前記断面要素を前記設計断面形状となるように切断する切断工程を更に備えることとすることができる。
ここで、第４レーザ光を、平均パワーＰＣ［Ｗ］、パルス幅が数百［ｎｓ］、パルス周波数１〜３［ｋＨｚ］のパルスレーザ光が集光光学系を介して前記断面要素の表面に集光された光とすることができる。そして、前記平均パワーＰＣ［Ｗ］が、走査速度ｖｃ［ｍｍ／ｓ］の場合、定数ｃを５〜１５、定数ｄを１５〜２５として、次の式の条件を満たすようにすることが好ましい。
ＰＣ＝ｃ・ｖｃ＋ｄ

この場合には、一体化された断面要素が形成された後、次の断面要素が形成される前に形成された断面要素の形状を設計断面形状に精度良く一致させることができる。このため、目的とする立体形状を精度良く造形することができる。

以上説明したように、本発明の積層造形方法によれば、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができるという顕著な効果がある。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図７を参照して説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る積層造形方法を実施する積層造形システム１０の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、この積層造形システム１０は、（ａ）目的とする立体形状を設計するとともに、設計データを格納する計算機システム２０と、（ｂ）計算機システム２０の制御のもとで、連続光又はパルス光を発生するレーザ照射装置３０Ａと、（ｃ）計算機システム２０の制御のもとで、パルス光を発生するレーザ照射装置３０Ｂと、（ｄ）計算機システム２０の制御のもとで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸方向に移動可能なステージ４１を有するステージ装置４０とを備えている。

計算機システム２０は、（ｉ）立体形状の設計プログラム等の様々なプログラムを実行するとともに、積層造形システム１０全体を制御する処理装置２１と、（ii）処理装置２１の指令に応じて、図形や文字等を表示する表示装置２２と、（iii）オペレータが処理装置２１に対して指令や文字データを入力するキーボード等のストロークデバイス２３と、（iv）オペレータが処理装置２１に対して表示装置２２の表示領域における位置を指定するマウス等のポインティングデバイス２４と、（ｖ）設計された立体形状のデータ等を格納する記憶装置２５とを備えている。

レーザ照射装置３０Ａは、（ｉ）計算機システム２０（より詳細には処理装置２１）からの指令ＬＣＡに応じて、連続光発振及びパルス光発振の一方を択一的に行うレーザ発振器３１Ａと、（ii）レーザ発振器３１Ａから射出されたレーザ光を、ステージ４１の＋Ｚ方向の所定平面上に集光するとともに、計算機システム２０からの当指定に応じて該所定平面ＦＰ（以下、「焦点面ＦＰ」と呼ぶ）上における集光位置（焦点位置）を変化させる照射光学系３２Ａとを備えている。本実施形態では、レーザ発振器３１Ａは、最大１００Ｗのパワーの連続光を出力することができるＹＡＧレーザと、このＹＡＧレーザに付加可能なパルス光出力ユニット（Ｑスイッチパルスユニット）とを有している。そして、計算機システム２０は、ＹＡＧレーザを制御することによりレーザ光出力のＯＮ／ＯＦＦを制御するとともに、パルス光出力ユニットを制御することにより連続光とパルス光との切換を行うようになっている。ここで、レーザ照射装置３０Ａは、計算機システム２０からパルス光発生の指令を受信したときには、Ｑスイッチ方式により、１〜３［ｋＨｚ］の繰り返し周波数で、幅が数百［ｎｓ］で数百［ｋＷ］から数［ＭＷ］のピーク値のパルス光を射出するようになっている。

本実施形態においては、照射光学系３２Ａでは、連続光及びパルス光の双方の場合において、最終段の集光レンズは焦点距離ｆ₁が約１００［ｍｍ］となっている。また、最終段の集光レンズに入射する直前においては、ビーム直径ｄ₁が約１０［ｍｍ］となっている。

なお、レーザ照射装置３０Ａから射出される連続光が、後述するレーザ光Ｌ１として使用される。また、レーザ照射装置３０Ａから射出されるパルス光が、後述するレーザ光Ｌ３及びレーザ光Ｌ４として使用される。

レーザ照射装置３０Ｂは、（ｉ）計算機システム２０（より詳細には処理装置２１）からの指令ＬＣＢに応じて、ノーマルパルスのパルス光発振を行うレーザ発振器３１Ｂと、（ii）レーザ発振器３１Ｂから射出されたレーザ光を、ステージ４１の＋Ｚ方向の所定平面上に集光するとともに、計算機システム２０からの当指定に応じて焦点面ＦＰ上における集光位置（焦点位置）を変化させる照射光学系３２Ｂとを備えている。本実施形態では、レーザ発振器３１Ｂは、パルス光を出力可能なＹＡＧレーザを有している。なお、レーザ照射装置３０Ｂから射出されるパルス光が、後述するレーザ光Ｌ２として使用される。

本実施形態においては、照射光学系３２Ｂでは、最終段の集光レンズは焦点距離ｆ₂が約１００［ｍｍ］となっている。また、最終段の集光レンズに入射する直前においては、ビーム直径ｄ₂が約１０［ｍｍ］となっている。

ステージ装置４０は、（ｉ）上述したステージ４１と、（ii）計算機システム２０（より詳細には処理装置２１）からの指令ＳＴＣに応じて、ステージ４１をＸＹＺの３軸方向に駆動する駆動装置４２とを備えている。また、ステージ４１上には、十分な耐熱性を有するベース板４３が載置されている。

次に、上記のように構成された積層造形システムによる積層造形の動作について説明する。

まず、設計者が、計算機システム２０を使用して、目的とする立体形状を設計する。かかる設計作業は、処理装置により３次元ＣＡＤプログラムを実行させた状態で、設計者が、表示装置２２における表示を参照しながら、ストロークデバイス２３及びポインティングデバイス２４を操作することにより行われる。こうして設計された立体形状のデータ、及び当該立体を水平面（ＸＹ平面と並行な面）で所定の垂直方向（Ｚ方向）の厚さでスライスした場合における、各スライス部の断面形状のデータは、記憶装置２５に格納される。なお、本実施形態では、設計された立体は、図２に示されるように、Ｚ方向に沿って、ＸＹ断面形状である正方形枠（＋Ｚ方向側では、正方形枠の一部が除去されている）の一辺の長さが変化している立体ＯＢＪであるものとする。

以上のようにして、ＣＡＤ設計が終了すると、計算機システム２０が駆動装置４２を制御してステージ４１上のベース板４３がレーザ照射装置３０Ａの射出位置の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。

次に、第１層目用の材料粉末５１₁を、ベース板４３の＋Ｚ方向側表面上に供給する（図３（Ａ）参照）。なお、本実施形態では、材料粉末５１₁，…としては、１００〜２００μｍに粒系の４０％程度が集中しているＮｉ−Ｍｏ合金鋼（川崎製鉄製 ＫＩＰ シグマロイ４１５（商品名））を用いている。なお、材料粉末５１₁，…としては、Ｎｉ−Ｍｏ合金鋼以外に、純鉄等の金属や合金を用いることができる。

引き続き、ブレード等を用いて、材料粉末５１₁を平坦化して材料粉末層５２₁を形成する（図３（Ｂ）参照）。ここで、材料粉末層５２₁の厚さｔは材料粉末５１₁の種類、並びに後述するレーザ光Ｌ１の材料粉末層５２₁への照射条件に応じて適切な値が定まるものである。すなわち、厚さｔは、材料ごとに定まる定数をｋとして、次の（１）式により定まる。
ｔ≦ｋ・ω₁＝ｋ・ｚ₁・ｄ₁／（２ｆ₁） …（１）

ここで、材料粉末５１₁の種類が本実施形態にように鉄を主成分（組成の５０％以上を占める成分）とする合金の場合には、３．２≦ｋ≦４．０となる値ｋを選ぶことが望ましい。なお、材料粉末５１₁の種類が純鉄の場合にも、値ｋの範囲は同様となる。

本実施形態では、距離ｚ₁（デフォーカス量）を５［ｍｍ］とするとともに、材料粉末層の５２₁の厚さｔを、定数ｋが４となる１［ｍｍ］としている。

次に、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して材料粉末層５２₁のＺ位置が焦点面ＦＰから約５［ｍｍ］だけ−Ｚ方向側となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム２０がレーザ照射装置３０Ａを制御することにより、材料粉末層５２₁における設計断面形状に応じた領域にレーザ光Ｌ１を照射して局所的な加熱を行う。ここで、レーザ光Ｌ１の照射による局所的な加熱を行うためのレーザ光Ｌ１による当該設計断面形状に応じた領域を走査する走査速度ｖ［ｍｍ／ｓ］及び連続レーザ光Ｌ１のパワーＰＭ［Ｗ］は、次の（２）式の条件により定まる。
ＰＭ＝Ａ・ｖ＋Ｂ …（２）
ここで、１０＜Ａ＜１１、２５＜Ｂ＜４０

なお、本実施形態では、定数Ａを１０．８、定数Ｂを３０、走査速度ｖを２．８〜３．７［ｍｍ／ｓ］として、レーザ光Ｌ１のパワーＰＷを６０〜７０［Ｗ］とすることにより、上記の（２）式の条件を満たすようにしている。

上記の厚さｔの条件を満たした材料粉末層５２₁に、上記の（２）式の条件を満たした走査速度ｖ［ｍｍ／ｓ］及びパワーＰＭ［Ｗ］でレーザ光Ｌ１を照射することにより、材料粉末層５２₁の被照射領域が、溶融された段階で表面張力により液滴（粒状）とならず、溶融材料が材料粉末層に沈下する。

また、レーザ光Ｌ１による材料粉末層５２₁の走査に際しては、線状領域の走査後に、当該線状領域に隣接する線状領域をレーザ光Ｌ１により走査する際には、当該線状領域の約５０％が隣接する線状領域に含まれるようにしている。これは、走査に際して、走査方向と垂直な方向で隣り合うレーザ光Ｌ１の照射領域に重なりがないと、当該レーザ光Ｌ１の走査によって形成される断面要素の走査方向に垂直な断面形状が弓なりとなってしまい、厚さが均一な断面要素を形成できないためである。こうした断面形状が弓なりになることを防止するためには、当該線状領域と隣接する線状領域との重なり部分の割合を４０％以上とすればよい。また、迅速な断面要素の形成のためには、重なり部分の割合を６０％以下とすることが好ましい。

以上のような条件で、レーザ光Ｌ１を、当該設計断面形状に応じた領域内で走査させることにより、第１層目の断面要素５５₁が形成される（図３（Ｃ）参照）。こうして形成された断面要素５５₁のＸ軸方向に沿って延びる部分のＹＺ断面を図４（Ａ）に示す。この図４（Ａ）で代表的に示されるように、断面要素５５₁は、レーザ光Ｌ１が照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。なお、断面要素５５₁のＺ軸方向厚さは、材料粉末層５２₁のＺ軸方向厚さの約３０％程度となっている。

図３に戻り、次いで、計算機システム２０が、レーザ照射装置３０Ａを制御して、パルス光Ｌ３を、立体ＯＢＪにおける断面要素５５₁のＺ位置に応じた断面形状、すなわち第１層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素５５₁内で走査させ、断面要素５５₁を切断する。ここで、かかる切断に際しては、レーザ光Ｌ３を、パルス幅が数百［ｎｓ］、パルス周波数１〜３［ｋＨｚ］のパルスレーザ光とし、レーザ光Ｌ３の焦点面に対する断面要素５５₁表面のデフォーカス量を約０［ｍｍ］とする場合には、レーザ光Ｌ３の秒単位における平均パワーＰＣ［Ｗ］及び走査速度ｖｃ［ｍｍ／ｓ］が、次の（３）式の条件を満たすと、精度良く断面要素５５₁が切断される。
ＰＣ＝ｃ・ｖｃ＋ｄ …（３）
ここで、ｃは５〜１５、ｄは１５〜２５

本実施形態では、走査速度ｖｃを１［ｍｍ／ｓ］とするともに、平均パワーＰＣを２０〜４０［Ｗ］として、（３）式の条件を満たすようにしている。

こうしたレーザ光Ｌ３の照射により、第１層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素５５₁が切断され、整形断面要素５７₁が形成される（図３（Ｄ）参照）。この整形断面要素５７₁は、第１層目における設計断面形状に精度良く一致する。この整形断面要素５７₁のＺ軸と平行な面による断面の形状を、整形断面要素５７₁がＸ軸方向に沿って延びる部分のＹＺ断面図として、図４（Ｂ）において代表的に示す。

図３に戻り、次に、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して整形断面要素５７₁のＺ位置が焦点面ＦＰから約５［ｍｍ］だけ−Ｚ方向側となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム２０が、レーザ照射装置３０Ａを制御して、パルス光Ｌ４により整形断面要素５７₁の表面を走査させることにより、整形断面要素５７₁の表面における閉ざされかけたくぼみを除去し平滑化させる表面整形が行われる。この際、閉ざされかけたくぼみを除去と同時に、レーザ光Ｌ４のピークパワーを走査位置に応じて変化させることにより、整形断面要素５７₁における表面付近の材料の一部を飛散させる程度を変化させることができる。この結果、各走査位置に応じて所望の量だけ材料の飛散をさせることができる。このため、整形断面要素５７₁の表面を平坦化させたり、表面付近における凹凸形状が所望の微細構造を有するように微細加工を行ったりすることが自在にできる。なお、本実施形態においては、レーザ光Ｌ４による走査により、整形断面要素５７₁の表面の平坦化を行うこととしている。

こうしたレーザ光Ｌ４の照射により、表面が平坦化された整形断面要素５８₁が形成され（図３（Ｅ）参照）、この段階における造形体となる。この造形体５８₁のＺ軸と平行な面による断面の形状を、造形体５８₁がＸ軸方向に沿って延びる部分のＹＺ断面図として、図４（Ｃ）において代表的に示す。なお、整形断面要素５７₁の表面の平滑化（この層の場合には平坦化）を行うことにより、次層の造形のための材料粉末層５２₁の（図５（Ｂ）参照）における材料粉末の均等化を図ることができ、ひいては、最終的な造形体の充填率を向上させることができる。

次に、第２層目用の材料粉末５１₂を、材料粉末層５２₁の＋Ｚ方向側表面上に供給する（図５（Ａ）参照）。引き続き、ブレード等を用いて、材料粉末５１₂を平坦化して材料粉末層５２₂を形成する（図５（Ｂ）参照）。なお、材料粉末層５２₂の厚さは、上記の材料粉末層５２₁の場合と同様の厚さとしている。

次に、上述した図４（Ｃ）の場合と同様にして、計算機システム２０が、駆動装置４２を制御して材料粉末層５２₂のＺ位置が焦点面ＦＰから５［ｍｍ］だけ−Ｚ方向側となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム２０がレーザ照射装置３０Ａを制御することにより、材料粉末層５２₁の場合と同様にして、材料粉末層５２₂における設計断面形状に応じた領域にレーザ光Ｌ１を照射して局所的な加熱を行う。この結果、第２層目の断面要素５５₂が形成される（図５（Ｃ）参照）。こうして形成された断面要素５５₁のＸ軸方向に沿って延びる部分のＹＺ断面を図６（Ａ）に示す。この図６（Ａ）で代表的に示されるように、断面要素５５₂は、断面要素５５₁と同様に、レーザ光Ｌ１が照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。

次いで、計算機システム２０が駆動装置４２を制御してステージ４１上のベース板４３がレーザ照射装置３０Ｂの射出位置の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、断面要素５５₂が焦点面ＦＰから５［ｍｍ］だけ−Ｚ方向側となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。そして、計算機システム２０が、レーザ照射装置３０Ｂを制御して、パルスレーザ光Ｌ２を断面要素５５₂の形成領域内で走査させることにより、局所的な加熱を行い、断面要素５５₂と、それまでの造形体５８₁とを溶接して一体化させる（図５（Ｄ）参照）。

こうした溶接のためのレーザ光Ｌ２のピークパワーＰＷ［Ｗ］は、次の（４）式によって概ね定まる。
ＰＷ＝ａ・ω₂＋ｂ＝ａ・ｚ₂・ｄ₂／（２ｆ₂）＋ｂ …（４）
ここで、ａは６００、ｂは４７０

本実施形態では、レーザ光Ｌ２のパルス幅を８〜１２ｍｓとするとともに、ピークパワーＰＷを５６０〜６５０［Ｗ］として、（４）式の条件を満たすようにしている。そして、レーザ光Ｌ２を、（ω ₂ ／２）の距離を隔てて１パルスずつ、順次、断面要素５５₂に照射している。

こうしたレーザ光Ｌ２の照射により、それまでの造形体５８₁と断面要素５５₂とが、しっかりと一体化する。この一体化された状態におけるＺ軸と平行な面による断面の形状を、積層体５７₂がＸ軸方向に沿って延びる部分のＹＺ断面図として図６（Ｂ）において代表的に示す。

図５に戻り、次に、計算機システム２０が駆動装置４２を制御してステージ４１上のベース板４３がレーザ照射装置３０Ａの射出位置の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、断面要素５５₂が焦点面ＦＰとほぼ一致するように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。そして、計算機システム２０がレーザ照射装置３０Ａを制御することにより、断面要素５５₁の場合と同様にして、パルス光Ｌ３を、立体ＯＢＪにおける断面要素５５₂のＺ位置に応じた断面形状、すなわち第２層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素５５₂内で走査させ、断面要素５５₂を切断する。この結果、第２層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素５５₂が切断され、整形断面要素５７₂が形成される（図５（Ｅ）参照）。この状態におけるＺ軸と平行な面による断面の形状を、整形断面要素５７₂がＸ軸方向に沿って延びる部分のＹＺ断面図として、図６（Ｃ）において代表的に示す。

図５に戻り、次いで、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して整形断面要素５７₂のＺ位置が焦点面ＦＰから約５［ｍｍ］だけ−Ｚ方向側となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム２０が、レーザ照射装置３０Ａを制御して、パルス光Ｌ４により、整形断面要素５７₁の表面を走査させることにより、整形断面要素５７₂の表面における閉ざされかけたくぼみを除去する表面整形、及び、整形断面要素５７₂の表面付近における凹凸形状を所望の微細構造を有するようにする微細加工を行う。この結果、この段階における造形体５８₂が形成される（図５（Ｆ）参照）。この造形体５８₂のＺ軸と平行な面による断面の形状を、造形体５８₂がＸ軸方向に沿って延びる部分のＹＺ断面図として、図６（Ｄ）において代表的に示す。なお、レーザ光Ｌ４による整形断面要素５７₂の表面加工として、図６（Ｃ）における整形断面要素５７₂のＹ方向中央部は平坦化を行うとともに、Ｙ方向端部は丸みを帯びさせる加工を行った。

以後、上記の第２層目における積層造形と同様にして、第３層目以降の積層造形が行われる。そして、最終的に、目的とする立体ＯＢＪが高強度かつ高精度で造形される。

こうして形成された積層造形体の断面写真が図７（Ａ）に示されるとともに、上述した図３（Ｅ）及び図５（Ｅ）におけるレーザ光Ｌ４の照射を省略した場合に形成される比較例（すなわち、上述した従来例２）の積層造形体の断面写真が図７（Ｂ）に示されている。比較例の積層造形体の充填率は６３．１％であるのに対して、本実施形態による積層造形体の充填率は９５．０％であり、本実施形態による充填率の向上が確認された。

以上説明したように、本実施形態では、材料粉末の種類等に応じて定まる所定の厚さに材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する。そして、レーザ光Ｌ１を用いて断面要素の形成し、レーザ光Ｌ２を用いて断面要素をそれまでに形成された造形体と一体化させた後、レーザ光Ｌ４により断面要素の表面を平滑化する表面整形を行っている。したがって、本実施形態によれば、最終的な造形体の充填率を向上させることができ、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができる。

また、本実施形態では、レーザ光Ｌ４による断面要素の表面整形を行う際に、レーザ光Ｌ４のピークパワーを走査位置に応じて変化させるので、断面要素の表面を所望の形状に加工することができる。

また、本実施形態では、各層の断面要素を形成する度に、断面要素の形状が設計断面要素形状に精度良く一致するように、レーザ光Ｌ３を用いて断面要素を切断している。したがって、目的とする立体形状を精度良く造形することができる。

なお、上記の実施形態では、レーザ光Ｌ１として連続光を採用したが、パルス高及びパルス間隔が適切なものであれば、パルス光を採用することもできる。

また、粉末材料粉末としては、上述したＮｉ−Ｍｏ合金鋼の粉末、他の合金の粉末、純鉄等の金属の粉末以外に、セラミックの粉末等を材料として使用しても、同様に積層造形を行うこともできる。なお、合金粉末の組成において、炭素の含有量が多い場合には、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気という酸素を実質的に含まない雰囲気中で、レーザ光照射を行うことが好ましい。

また、上記の実施形態では、ステージ４１がＸＹ軸方向で可動としたが、レーザ照射装置３０Ａ，３０Ｂによるレーザ光の走査範囲が十分に広ければ、ステージ４１がＸＹ軸方向で固定されていてもよい。また、上記の実施形態では、ステージ４１のＺ軸方向への移動を計算機システムの制御のもとで行ったが、ステージ４１のＺ軸方向への移動を手動で行ってもよい。

また、上記の実施形態では、新たな材料粉末の供給に伴い必要となる材料粉末層と焦点面とのＺ軸方向の位置関係の調整を、ステージ４１をＺ軸方向に移動させることにより、行った。これに対して、レーザ照射装置３０Ａ，３０Ｂを移動したり、照射光学系３２Ａ，３２Ｂを調整したりすることにより、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の焦点面のＺ位置を調整するようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、レーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３、Ｌ４による走査は、可動ミラー等を用いて行ってもよいし、レーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３、Ｌ４を導波する光ファイバの光射出位置を移動させて行ってもよい。

また、上記の実施形態では、レーザとしてＹＡＧレーザを使用したが、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ等を使用することもできる。

また、上記実施形態では、レーザ照射装置３０Ａ，３０Ｂそれぞれが、独立して照射光学系を備えることとした。これに対し、レーザ発振器３１Ａ，３１Ｂから射出された光の一方を択一的に選択出力する光切換器により共通の照射光学系に導くようにすることにより、照射光学系を１つとすることもできる。こうした光切換器は、１つ以上のミラーを移動可能とすることにより構成することができる。

また、積層造形の対象となる立体形状は、上記の実施形態における立体ＯＢＪの形状に限定されるものではなく、任意の立体形状とすることができる。

以上説明したように、本発明の積層造形方法は、粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る積層造形方法を使用するための積層造形システムの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態において、造形目的とする立体の形状を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その１）である。 図３において形成される断面要素、整形断面要素及び造形体を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その２）である。 図５において形成される断面要素、整形断面要素及び造形体を説明するための図である。 図７（Ａ）は、本発明を適用して作成された積層造形体の断面写真であり、図７（Ｂ）は、比較例の積層造形体の断面写真である。 従来例の積層造形方法を説明するための図である。

符号の説明

１０…積層造形システム、２０…計算機システム、３０Ａ，３０Ｂ…レーザ照射装置、４０…ステージ装置、５１₁，５１₂…材料粉末、５２₁，５２₂…材料粉末層、５５₁，５５₂…断面要素、５７₁，５７₂…整形断面要素、５８₁，５８₂…造形体、Ｌ１…レーザ光（第１レーザ光）、Ｌ２…レーザ光（第２レーザ光）、Ｌ３…レーザ光（第４レーザ光）、Ｌ４…レーザ光（第３レーザ光）、ＯＢＪ…造形目的の立体。

Claims (4)

1. 純鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末を材料として目的とする立体形状を造形する積層造形方法であって、
   材料粉末の種類に応じて定まる所定の厚さに前記材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する材料層形成工程と；
   前記目的とする立体形状における前記材料粉末層の積層位置の設計断面形状に応じた前記材料粉末層の領域を、第１レーザ光により走査し、局所的に加熱して溶融した後に凝固させて断面要素を形成する断面要素形成工程と；
   パルスレーザ光である第２レーザ光により前記断面要素を走査し、局所的に加熱して既に造形された部分と前記断面要素とを一体化させる一体化工程と；
   パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが前記第２レーザ光よりも高い第３レーザ光により前記一体化工程により一体化された断面要素を走査し、前記一体化された断面要素の表面を整形する表面整形工程と；を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形する積層造形方法であり、
   前記第１レーザ光は、ビーム直径ｄ ₁ ［ｍｍ］の連続発振レーザ光が焦点距離ｆ ₁ ［ｍｍ］の集光光学系を介した後の光であり、
   前記粉末材料層の厚さｔ［ｍｍ］は、前記第１レーザ光の焦点位置と前記粉末材料層の表面との間の距離をｚ ₁ ［ｍｍ］とした場合に、
   ｔ＝ｋ・ω ₁ ＝ｋ・ｚ ₁ ・ｄ ₁ ／（２ｆ ₁ ）
   ここで、３．２≦ｋ≦４．０
   の条件を満たし、
   前記第１レーザ光のパワーＰＭ［Ｗ］及び走査速度ｖ［ｍｍ／ｓ］は、
   ＰＭ＝Ａ・ｖ＋Ｂ
   ここで、１０＜Ａ＜１１、２５＜Ｂ＜４０
   の条件を満たし、
   前記第２レーザ光は、ビーム直径ｄ ₂ ［ｍｍ］、ピークパワーＰＷ［Ｗ］及びパルス幅８〜１２［ｍｓ］のパルスレーザ光が焦点距離ｆ ₂ ［ｍｍ］の集光光学系を介した後の光であり、前記ピークパワーＰＷ［Ｗ］は、前記第２レーザ光の焦点位置と前記断面要素の表面との間の距離をｚ ₂ ［ｍｍ］とした場合に、定数ａを６００、定数ｂを４７０として、
   ＰＷ＝ａ・ω ₂ ＋ｂ＝ａ・ｚ ₂ ・ｄ ₂ ／（２ｆ ₂ ）＋ｂ
   の条件を満たすとともに、（ω ₂ ／２）の距離を隔てて１パルスずつ、前記第２レーザ光が、順次、前記断面要素に照射される、
   ことを特徴とする積層造形方法。
2. 前記表面整形工程では、前記第３レーザ光のピークパワーを走査位置に応じて変化させる、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
3. 前記第１レーザ光による特定線状領域の走査後に、前記特定線状領域に隣接する線状領域を前記第１レーザ光により走査する際には、前記特定線状領域の４０〜６０％が前記隣接する線状領域に含まれる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形方法。
4. 前記一体化工程と前記表面整形工程との間で、パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが前記第３レーザ光よりも高い第４レーザ光を照射し、前記断面要素を前記設計断面形状となるように切断する切断工程を更に備え、
   前記第４レーザ光は、平均パワーＰＣ［Ｗ］、パルス幅が数百［ｎｓ］、パルス周波数１〜３［ｋＨｚ］のパルスレーザ光が集光光学系を介して前記断面要素の表面に集光された光であり、
   前記平均パワーＰＣは、走査速度ｖｃ［ｍｍ／ｓ］の場合、定数ｃを５≦ｃ≦１５、定数ｄを１５≦ｄ≦２５として、
   ＰＣ＝ｃ・ｖｃ＋ｄ
   の条件を満たす、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形方法。