JP2015038237A - 積層造形物、粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形物の変形を抑制しつつ、効率よく積層造形物を作製することができる粉末積層造形方法を提供するものである。
【解決手段】粉末材料の薄層35aを形成する工程と、粉末材料の薄層35aの特定の領域に加熱用エネルギービームを照射することにより、昇温した予備加熱層35cを形成する工程と、昇温した予備加熱層35cの領域内の粉末材料の薄層に加熱用エネルギービームを照射し、粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層35dを形成する工程とを有し、各工程を繰り返して積層造形物を作製する。
【選択図】図５

Description

本発明は、積層造形物、粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法に関し、より詳しくは、金属やセラミックスの粉末材料の薄層にレーザ光或いは電子ビームその他の粒子ビーム等のエネルギービームを選択的に照射し、溶融し固化して、固化層を多層に積層して３次元造形物を作製する積層造形物、粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法に関する。

近年、金属製の製品の代用品や、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途の製品の試作品又は少量多品種の量産部品等を作製するため、エネルギービームを照射して金属粉末などを溶融し固化して積層造形物を作製する粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法が研究され、開発されるようになってきている。

特許文献１の積層造形方法によれば、最初に、昇降可能な物体支持体の表面全面に、材料粉末を固化して形成された基板を設置する。その状態で、基板上で第１層目の粉末層を固化或いは焼結し、成形物体の第１層目を基板に強固に接着させている。そして、その上に成形物体の第２層目以上を積層している。これにより、完成した成形物体のゆがみや変形を抑制している。なお、造形後、成形物体は基板から金鋸を用いて切断し、分離される。

特許文献２では、引用文献１の基板（造形プレート）の代わりに、造形テーブルに相互に離間した複数のピンを設け、その上に３次元造形物を作製するようにしている。

特開平０８−２８１８０７号公報 特開２０１０−１００８８４号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載された技術では、基板やピンを作製する必要がある。

また、引用文献１及び２ともに、造形物の変形を抑制するため、造形物を基板やピンに固着させている。このため、造形後、造形物から基板やピンを切断等により取り除く必要がある。

また、引用文献１及び２ともに、積層途中には基板やピンが設置できないため、積層造形物の周辺の空き領域に積層途中から異なる積層造形物を作製することができない。

本発明は、上述の問題点に鑑みて創作されたものであり、積層造形物の変形を抑制しつつ、効率よく積層造形物を作製することができる積層造形物、粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の一観点によれば、粉末材料の薄層を形成する昇降台と、前記粉末材料の薄層を加熱する加熱用エネルギービームを出射する加熱用エネルギービーム出射手段と、造形を制御する制御部とを有する粉末積層造形装置であって、前記制御部は、前記昇降台を制御して前記昇降台の上に金属の粉末材料の薄層を形成させ、前記粉末材料の薄層の特定領域に前記加熱用エネルギービームを照射することにより、昇温した予備加熱層を形成させ、前記昇温した予備加熱層の形成領域内の前記粉末材料の薄層に前記加熱用エネルギービームを照射し、前記粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層を形成させることを特徴とする粉末積層造形装置が提供される。

本発明の他の観点によれば、粉末材料の薄層を形成する工程と、前記粉末材料の薄層の特定の領域に加熱用エネルギービームを照射することにより、昇温した予備加熱層を形成する工程と、前記昇温した予備加熱層の領域内の前記粉末材料の薄層に前記加熱用エネルギービームを照射し、前記粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層を形成する工程とを有し、各前記工程を繰り返して積層造形物を作製することを特徴とする粉末積層造形方法が提供される。

本発明の別の観点によれば、固化した積層造形物の周囲が予備加熱層の一部で覆われていることを特徴とする積層造形物が提供される。

本発明によれば、加熱用エネルギービームの照射により予備加熱層を形成し、予備加熱層の形成領域内の粉末材料の薄層に加熱用エネルギービームを照射し、粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層を形成させている。

すなわち、固化層の形成前に、固化層の形成領域及びその周辺領域を昇温させて予備加熱層を形成している。このため、固化層を形成するときに固化層と周辺領域との温度差が小さいので、固化層の反りを抑制できる。

なお、本願では、固化層の反りを抑制するために基板やピンを作製する必要がない。そして、このために、積層造形物の周辺の空き領域に積層途中から異なる積層造形物を作製することができる。

本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置のうち、レーザ光出射部を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置のうち、薄層形成部の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI-I線に沿う断面と、薄層形成部の上方に配置されたレーザ光出射部を示す図である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その１）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その２）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その３）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その４）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その５）である。 本発明の実施形態に係る第１変形例の粉末積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る第２変形例の粉末積層造形方法を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る第３変形例の粉末積層造形方法を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る第４変形例の粉末積層造形方法を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（１）粉末積層造形装置の構成
図１は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置の構成を示す図である。

なお、造形を行う加熱用エネルギビームを出射する加熱用エネルギービーム源として、レーザ光を出射するレーザ光源、電子ビームその他の粒子ビームを出射する電子ビーム源その他の粒子ビーム源があり、本発明に適用できるが、以下では、レーザ光源を用いて説明する。

当該粉末積層造形装置は、排気口11に排気装置12が接続されて減圧可能なチャンバ（減圧用容器）101と、チャンバ101内に設置されたレーザ光出射部102及び粉末材料の薄層を形成する薄層形成部103と、チャンバ101の外部に設置された制御部104と、チャンバ101の容器壁に設けられた赤外線の透過窓13から薄層形成部103で加熱処理中の粉末材料などの表面温度を検出する赤外線温度検出器14とを備えている。なお、レーザ光出射部102は、チャンバ101の外部に設置されてもよいが、その場合、チャンバ101の仕切り壁にレーザ光の透過窓が設けられる。

本粉末積層造形装置の制御部104は、粉末材料の薄層を形成し、レーザ光により焼結し、又は溶融して固化させ、造形する制御を行う。

なお、上述の「焼結し、又は溶融して固化させ」る動作について、以下では、冗長な表現を避けるため「固化させ」る動作としてまとめて表現する。必要な場合には、特定の動作を区別して明示する。

以下に、本粉末積層造形装置における各部の詳細について説明する。

（ｉ）レーザ光出射部102の構成
図２は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置のうち、レーザ光出射部102の構成を示す図である。

レーザ光出射部102は、レーザ光源23と、光学系21、22と、ＸＹＺドライバ24とを備えている。

レーザ光源23は、主に、波長1,000nm程度のレーザ光を出射するYAGレーザ光源、あるいは、ファイバレーザ光源などが用いられるが、粉末材料の波長吸収率だけでなくコストパフォーマンスなどを考慮して、使用波長を適宜変更できる。例えば、波長10,000nm程度のレーザ光を出射する高出力のCO₂レーザ光源を用いてもよい。

光学系21は、ガルバノメータミラー（Ｘミラー、Ｙミラー）21a、21bを有し、光学系22は、レンズを有する。Ｘミラー21a、Ｙミラー21bは、それぞれ、レーザ光の出射角度を変化させてレーザ光をＸ方向、Ｙ方向に走査する。また、レンズは、Ｘ方向及びＹ方向に走査されるレーザ光の動きに従って移動し、レーザ光の焦点距離を粉末材料の薄層の表面にあわせる。

ＸＹＺドライバ24は、制御部104からの制御信号により、Ｘミラー21a、Ｙミラー21b、及びレンズを動作させる制御信号を送出する。

なお、加熱用エネルギービーム源として、レーザ光の代わりに、他のエネルギービーム源を用いた場合、エネルギービーム源に応じて光学系を適宜変更できる。例えば、電子ビーム源の場合、電磁レンズ及び偏向系を用いることができる。

（ii）薄層形成部103の構成
図３（ａ）は、薄層形成部103の構成を示す上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のI-I線に沿う断面図で、同図には、薄層形成部101のほかに、その上方に配置されているレーザ光出射部102も示している。図３（ａ）、（ｂ）ではチャンバを省略している。

薄層形成部103では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の照射により造形が行われる薄層形成容器31と、その両側に設置された第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bとを備えている。粉末材料の酸化や窒化を防ぐため、薄層形成部103は、減圧可能なチャンバ101内に設置される。

さらに、各容器31、32a、32b内に収納された粉末材料や、容器31内の薄層を加熱し、昇温するため、図示しないヒータや加熱用光源その他の加熱手段を有する。加熱手段は各容器31、32a、32bに内蔵されてもよいし、各容器31、32a、32bの周辺に設けられてもよい。

薄層形成容器31では、パートテーブル（第２昇降テーブル；昇降台）33a上で、粉末材料の薄層35aが形成され、粉末材料の薄層35aをレーザ光の照射により加熱し、下地加熱層35bや予備加熱層35c、固化層35dが形成される。そして、パートテーブル33aを順次下方に移動させて固化層35dを積層し、３次元造形物が作製される。

第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bでは、第１及び第２フィードテーブル（第１及び第３昇降テーブル）34aa及び34ba上に粉末材料35が収納される。第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bのうち、いずれか一方を供給側とした場合、他方を、粉末材料の薄層を形成した後に残った粉末材料を収納する側とする。

パートテーブル33a、第１及び第２フィードテーブル34aa、34baには、それぞれ、支持軸33b、34ab及び34bbが取り付けられる。支持軸33b、34ab及び34bbは、支持軸33b、34ab及び34bbを上下に移動させる図示しない駆動装置に接続されている。

駆動装置は制御部104からの制御信号により制御される。粉末材料の供給側の第１又は第２フィードテーブル34aa又は34baを上昇させて粉末材料35を供給するとともに、収納側の第２又は第１フィードテーブル34ba又は34aaを下降させて薄層の形成後に残った粉末材料35を収納する。

更に、薄層形成容器31、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bの上面上を全領域にわたって移動するリコータ36が設けられている。リコータ36は、粉末材料の供給側の第１又は第２フィードテーブル34aa又は34baの上昇により粉末材料収納容器32a又は32bの上面に突出した粉末材料を、表面を均しながら掻き取って薄層形成領域まで運搬し、パートテーブル33a上に粉末材料の表面を均しながら収納し、粉末材料の薄層35aを形成する。粉末材料の薄層35aの厚さは、パートテーブル33aの下降量で決まる。そして、粉末材料の薄層を形成した後に余った粉末材料を収納側の粉末材料収納容器32b又は32aまで運搬し、第２又は第１フィードテーブル34ba又は34aa上に収納する。

このようなリコータ36の移動は、制御部104からの制御信号により制御される。

（粉末材料）
使用可能な粉末材料35として、金属粉末材料やセラミックス粉末材料などが挙げられる。

金属粉末材料として、アルミニウム（Al）（融点660℃）、アルミニウム合金、又は、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物が挙げられる。

アルミニウム合金には、アルミニウム（Al）に、例えばSi、Mg、Cu、Mn、又はZnのうち少なくとも１種を含有したものがある。また、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物には、アルミニウム（Al）或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一に、Mg、Cu、Ni、Cu₃P、CuSnよりなる群から選ばれた少なくとも１種を適当な割合で混ぜ合わせたものがある。Mgは還元作用を利用するためであり、Niは濡れ性を改善するためである。

粉末材料の平均粒径は、特に限定されないが、流動性を維持できるような大きさであればよい。そうでないと、粉末の凝集性が強くなり、より薄い粉末材料の薄層を形成することが難しくなるためである。

金属粉末材料として、アルミニウム或いはアルミニウム合金のほか、チタン（融点1668℃）或いは６４チタン（融点1540〜1650℃）、白金（融点1768℃）、金（融点1064.2℃）、銅（融点1083℃）、マグネシウム（融点649℃）、タングステン（融点3400℃）、モリブデン（融点2610℃）或いはこれらの金属の合金、ステンレス（SUS304で融点1400〜1450℃）、コバルトクロム又はインコネル（融点1370〜1425℃）などの金属粉末を用いることができる。

また、粉末材料35として、上述の金属粉末材料に、使用する特定波長のレーザ光を吸収可能な金属、顔料或いは染料などのレーザ吸収剤を混ぜたものを用いてもよい。

また、セラミックス粉末材料として、アルミナ（融点2054℃）、シリカ（融点1550℃）、ジルコニア（融点2700℃）、マグネシア（融点2800℃）、窒化ホウ素（BN；融点2700〜3000℃）、窒化ケイ素（Si₃N₄；融点1900℃）、炭化ケイ素（SiC；融点2600℃）などを用いることができる。

（iii）制御部の構成及び機能
制御部104は、レーザ光出射部102のコントローラと、薄層形成部103のコントローラとで構成される。

（レーザ光出射部102のコントローラ）
レーザ光出射部102のコントローラは、ＸＹＺドライバに制御信号を送り、次のような制御を行う。

すなわち、下地加熱層35bや予備加熱層35c、固化層35dの形成領域に対して設定された走査線に基づき、Ｘミラー21a及びＹミラー21bの角度を変化させてレーザ光を走査するとともにレーザ光源23を適宜ON/OFFさせる。この間、レーザ光の動きに合わせて、レーザ光が粉末材料の薄層の表面に焦点を結ぶように絶えずレンズを動かす。このようにして、粉末材料の薄層にレーザ光を特定の領域に選択的に照射して加熱する。レーザ光源に加える電力を制御することで、各粉末の一部が相互に連結した予備加熱層を形成する。また、粉末材料の薄層を焼結させ、或いは、溶融させる。

（薄層形成部103のコントローラ）
薄層形成部103のコントローラは、パートテーブル33a、第１及び第２フィードテーブル34aa、34baの昇降と、リコータ36の移動とを制御するとともに、ヒータや加熱用光源その他の加熱手段による加熱を制御する。

図３乃至図８を参照して、積層造形を行うための制御について説明する。この実施例では、粉末材料として粒径４５μｍ以下で平均粒径約３０μｍの６４チタンを用いる。なお、そのほかに、粒径５３μｍ以下のもの、粒径１５０μｍ以下のもの、その他、用途などにより適宜粒径を変更して使い分けることができる。

薄層形成部103のコントローラは、まず、図３（ｂ）に示すリコータ36を第１粉末材料収納容器32aの上面縁部に配置する。また、コントローラは、積層造形を行う間、粉末材料中の水分を除くため、粉末材料の温度が水の飽和蒸気圧温度或いは気化温度以上に維持されるように、ヒータなど各容器31、32a、32bの加熱手段を制御する。

次いで、粉末材料35を載せた第１フィードテーブル34aaを上昇させるとともに、パートテーブル33aを薄層一層分、例えば、粉末粒子の最大粒径よりも少し大きく６０μｍ程度下降させる。形成すべき薄層の厚さは、高い精度が要求される部分かどうか、加熱が容易な材料かどうか、昇温する温度が高いか低いかなど種々の条件により、適宜変更する必要があるので、下降量もそれに応じて決める。また、第２フィードテーブル34baを、粉末材料35の薄層35aを形成後に残った粉末材料が十分に収納される程度に下降させる。

次いで、リコータ36を右側に移動させて第１粉末材料収納容器32a上に突出した粉末材料35を掻き取って薄層形成容器31に運搬する。そして、表面を均しながら薄層形成容器31に収納して、パートテーブル33a上に第１層目の粉末材料の薄層35aを形成させる（図４（ａ））。残った粉末材料35は、リコータ36をさらに右側に移動させて第２粉末材料収納容器32bまで運搬し、第２のフィードテーブル34ba上に収納する。

次いで、粉末材料35を載せた第２フィードテーブル34baを上昇させるとともに、パートテーブル33aを薄層一層分だけ下降させる。また、第１フィードテーブル34aaを薄層の形成後に余った粉末材料35が十分に収納される程度に下降させる。

次いで、リコータ36を左側に移動させて第２粉末材料収納容器32b上に突出した粉末材料35を掻き取って薄層形成容器31に運搬する。そして、表面を均しながら薄層形成容器31に収納してパートテーブル33aの第１層目の粉末材料の薄層35aの上に第２層目の粉末材料の薄層35aを形成する（図４（ａ））。残った粉末材料35は、リコータ36をさらに左側に移動させて第１粉末材料収納容器32aまで運搬させ、第１のフィードテーブル34aa上に収納する。第５層目の粉末材料の薄層35aも同様にして形成させる。

次いで、第１層目と同様にして、第２層目の薄層35aの上に第３層目の粉末材料の薄層35aを形成させる（図４（ａ）、（ｂ））。第３層目の粉末材料の薄層35aの厚さも、例えば、粉末粒子の最大粒径よりも少し厚く６０μｍ程度とする。

その後に、図４（ｂ）に示すように、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光出射部102のコントローラにより、光学系21、22のミラー21a、21b及びレンズの動きを制御しながらレーザ光を選択的に照射し、第３層目の粉末材料の薄層35aを加熱して、昇温させた下地加熱層35bを形成させる。

このとき、下地加熱層35bの温度は、粉末材料の溶融温度より低い温度とすることが好ましい。さらに、粉末材料が完全に溶融せずに粉末材料の粒子形状が確認できるが、各粉末の一部が相互に連結して一固まりの粉末材料の集合体となるような温度とすることが好ましい。すなわち、例えば、３００℃以上で、粉末材料の溶融温度より低く、溶融温度から凡そ５０℃位低い温度範囲に保持することが好ましい。

また、下地加熱層35bは、下地加熱層35bの上方に形成する３次元造形物の最下層の固化層の形成領域よりも５％以上大きい領域を有し、円形や角を丸めた四角形などのように角のない形状とすることが望ましい。

なお、昇降台の上で下地加熱層35bの下に、何も処理しない２層分の粉末材料の薄層35aをバッファ層として挟むのは、下地加熱層35bが直接昇降台に固着しないようにするためである。この場合、バッファ層として粉末材料の薄層を２層別々に積層し形成したが、一度に２層分の厚さの粉末材料を積層してもよい。また、支障がない限り、バッファ層の厚さは適宜変更できる。

次に、第２層目と同様にして、パートテーブル33aの下地加熱層35bの上に第４層目の粉末材料の薄層35aを形成させる。

次いで、第１層目と同様にして、第４層目の粉末材料の薄層35aの上に第５層目の粉末材料の薄層35aを形成させる（図５（ａ））。第５層目の粉末材料の薄層35aの厚さも、例えば、粉末粒子の最大粒径よりも少し厚く６０μｍ程度とする。

このとき、下地加熱層35bの形成から少し時間が経過しているが、下地加熱層35bは粉末材料の薄層の各粉末の一部が相互に連結しているため粉末材料の薄層の熱容量が連結前と比べて大きくなっており、少し時間が経過しても十分に高い温度に維持されている。このことは、後に作製する予備加熱層でも同じである。したがって、下地加熱層35bの上方の固化層の形成領域を、粉末材料の溶融温度近くに昇温させ、維持することができる。

その後に、スライスデータに基づき、レーザ光出射部102のコントローラ25により、光学系のミラー21a、21b及びレンズの動きを制御しながらレーザ光を照射する。そして、第５層目の粉末材料の薄層35aを選択的に加熱して、下地加熱層35bの上方に、下地加熱層35bと同じように粉末材料が一固まりの集合体となるような温度に昇温させた予備加熱層35cを形成させる（図５（ａ））。予備加熱層35cは、第５層目の粉末材料の薄層35aに形成する３次元造形物の固化層の形成領域よりも５％以上大きい周囲領域を有し、固化層の形成領域に相似する形状に設定することが望ましい。

次いで、昇温させた予備加熱層35cの内側領域に加熱用エネルギービームを照射し、溶融させ固化させて固化層35dを形成させる（図５（ｂ））。このとき、下地加熱層35bと第１層目の固化層の間に、何も処理しない１層分の粉末材料の薄層35aをバッファ層として挟むのは、第１層目の固化層が下地加熱層35bに固着しないようにするためである。バッファ層の厚さは、粉末材料の薄層の１層以上、５〜１０層くらいが好ましい。

次いで、第２層目と同様にして、第５層目の粉末材料の薄層35aの上に第６層目の粉末材料の薄層35aを形成させる（図６（ａ））。

次いで、第６層目の粉末材料の薄層35aにレーザ光を選択的に照射し、粉末材料が一固まりの集合体となるような温度に昇温させた予備加熱層35cを形成させる（図６（ｂ））。

次いで、昇温させた予備加熱層35cの内側領域に加熱用エネルギービームを照射し、溶融させ固化させて固化層35dを形成させる（図７（ａ））。

その後、粉末材料の薄層35aの形成→予備加熱層35cの形成→固化層35dの形成→粉末材料の薄層35aの形成→予備加熱層35cの形成→固化層35dの形成→・・・を繰り返して、複数の固化層35dを積層させ、３次元造形物51を作製させる。図７（ｂ）は、３次元造形物の造形が終了した後の状態を示す。

以上説明した本発明の実施形態に係る積層造形装置によれば、制御部の造形制御により、加熱用エネルギービームを照射して予備加熱層35cを形成し、予備加熱層35cの形成領域内の粉末材料の薄層に加熱用エネルギービームを照射し、粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層35dを形成させている。

すなわち、固化層35dの形成前に、固化層35dの形成領域及びその周辺領域を昇温させて予備加熱層35cを形成しているため、固化層35dを形成するときに固化層35dと周辺領域との温度差が小さいので、固化層35dの反りを抑制できる。さらに、この場合において、固化層35dの周囲が各粉末の一部が連結し、一固まりとなった予備加熱層35cに固着されているため、固化層35dの反りをさらにより一層抑制することができる。

このように、下地加熱層35bがなくても積層造形物の薄層となる固化層35dの反りを抑制できるが、積層造形物の最下層の固化層を形成する際に粉末材料の薄層と周囲領域との温度差が大きくなる恐れがある。この場合、最下層の固化層35dを形成する前に、その下方に下地加熱層35bを形成することで、最下層の固化層35dの形成領域及びその周囲領域は粉末材料の溶融温度近くまで温められる。このため、最下層の固化層35dを形成する際に、最下層の固化層35dとその周辺領域との温度差が小さいので、最下層の固化層35dの反りを一層抑制することができる。

（２）粉末積層造形方法の説明
次に、上記粉末積層造形装置を用いた粉末積層造形方法について説明する。

まず、積層造形を始める前に、減圧雰囲気中で粉末材料から酸素、窒素及び水分を除く。

次いで、上述の「積層造形の制御方法」に従って、積層造形が行われる。積層造形の詳しい説明は省略する。なお、積層造形は、酸素、窒素及び水分を除いた後に引き続き減圧雰囲気中で行ってもよいし、減圧雰囲気をアルゴンなどの不活性ガスで置換し、不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。

上述の「積層造形の制御方法」により完成した３次元造形物は、薄層形成容器31中で粉末材料に埋もれているので、粉末材料を取り除いてから取り出す。取り出された積層造形物51は、図８に示すように、固化層35dの周囲が、粉末材料の各粉末の一部が相互に連結し、一固まりとなった粉末材料の集合体（予備加熱層の一部）35cで覆われているので、最終的に、粉末材料の集合体35cを除去して、積層した固化層35dからなる３次元造形物を得る。このとき、粉末材料の集合体35cは、各粉末の一部が相互に連結した程度であるため、切断などしなくても固化層35dから容易に取り除くことができる。

（３）第１変形例
図９は、本発明の実施形態に係る第１変形例の粉末積層造形装置の構成を示す図である。

第１変形例の粉末積層造形装置では、２系統のレーザ光出射部102a、102bを有する。各レーザ光出射部102a、102bは、それぞれ、図２のレーザ光源23、光学系21、ＸＹＺドライバ24、コントローラ104を備えている。

特に、２系統のレーザ光源は、それぞれ、予備加熱用レーザ光源と固化加熱用レーザ光源で構成され、予備加熱用レーザ光源で、上記実施形態の予備加熱層35cを形成し、時間をおかずに連続して固化加熱用レーザ光源で、粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層35dを形成する。

これら２系統のレーザ光源をコントローラ104によりともに制御することで、予備加熱層35cを形成した後に時間をおかずに予備加熱層35c内に固化層35dを形成することができるので、予備加熱層35cの温度が均一でかつ下がらないうちに固化層35dを形成することができる。よって、固化層35dの反りをより一層抑制することができる。

（４）第２変形例
図３の粉末積層造形装置に適用し得る第２変形例の薄層形成部のコントローラについて、図１０を参照してその制御方法を説明する。

図４乃至図８では、パートテーブル33a上に１つの３次元積層造形物を作製しているが、図１０では、積層造形物51の形成領域の周囲の空き領域に積層途中で別の積層造形物52を作製している。この場合、次のように積層造形の制御が行われる。

図１０において、第７層目の粉末材料の薄層までは、図４乃至図８に従って積層造形が行われる。

次いで、パートテーブル33aを薄層一層分下降させて、第７層目の粉末材料の薄層35a上に第８層目の粉末材料の薄層35aを形成する。

次いで、第８層目の粉末材料の薄層35aにレーザ光を照射させ、積層造形物51の予備加熱層35cを選択的に形成させる。引き続き、積層造形物51の形成領域を避けて、第８層目の粉末材料の薄層35aを選択的に加熱させて、粉末材料の溶融温度より低い温度でかつ粉末材料が完全に溶融せずに粉末材料の粒子形状が確認できるが、各粉末の一部が相互に連結して一固まりの粉末材料の集合体となるような温度に昇温させた下地加熱層35bを形成させる。

次いで、図４乃至図８に従って積層造形物51の予備加熱層35cの内側に固化層35dを形成する。積層造形物52の形成領域下方の下地層35bはそのまま放置し、加熱しない。

次いで、第９層目の粉末材料の薄層35aを形成させ、図４乃至図８に従って積層造形物51の予備加熱層35cを形成し、引き続き予備加熱層35c内に固化層35dを形成する。積層造形物52の形成領域では、粉末材料の薄層35aを加熱しないでそのままにする。

次いで、第１０層目の粉末材料の薄層35aを形成させる。

次いで、図４乃至図８に従って積層造形物51の予備加熱層35cを形成させる。引き続き、積層造形物52の形成領域で、第８層目の粉末材料の薄層35aを選択的に加熱させて、粉末材料の溶融温度より低い温度でかつ粉末材料が完全に溶融せずに粉末材料の粒子形状が確認できるが、各粉末の一部が相互に連結して一固まりの粉末材料の集合体となるような温度に昇温させた予備加熱層35cを形成させる。

次いで、図４乃至図８に従って積層造形物51の予備加熱層35c内に選択的に固化層35dを形成させるとともに、積層造形物52の予備加熱層35cの内側領域を加熱し、溶融させて固化させ、予備加熱層35c内に固化層35dを形成させる。

その後、粉末材料の薄層35aの形成→各積層造形物51、52の形成領域における予備加熱層35cの形成→各積層造形物51、52の形成領域における固化層35dの形成→粉末材料の薄層35aの形成→各積層造形物51、52の形成領域における予備加熱層35cの形成→各積層造形物51、52の形成領域における固化層35dの形成→・・・を繰り返して、複数の固化層35dを積層させ、２つの積層造形物51、52を作製させる。図１０（ａ）は、２つの３次元造形物の造形が終了した後の状態を示す。また、図１０（ｂ）は、造形終了後、薄膜形成容器31中で粉末材料に埋もれた２つの積層造形物51、52を取り出した時の状態を示す。

以上のように、本願では、積層造形物の下方に、特許文献１、２のような基板やピンを設置せずに、造形途中でも積層造形物を形成しない空き領域があれば、そこに、変形を抑制しつつ別の積層造形物を作製することができる。

（５）第３及び第４変形例
（ｉ）第３変形例の薄層形成部のコントローラ
図３の粉末積層造形装置に適用し得る第３変形例の薄層形成部のコントローラについて、図１１（ａ）を参照してその制御方法を説明する。

第３変形例の制御方法では、図４乃至図８の実施形態と異なり、昇温した下地加熱層35bのみを形成させ、すべての固化層53dを形成させる前に予備加熱層を形成させていない。また、３次元造形物53の最下層の固化層35dを下地加熱層35bに固着させている。

この制御方法は、３次元造形物53の上部にいくほど固化層35dの形成領域が狭くなる場合に有効である。

すなわち、３次元造形物53の最下層の固化層35dの形成領域は、最下層の固化層35dの下方に設けられた下地加熱層35bより狭い領域にあるため、昇温した下地加熱層35bにより周囲領域との温度差が小さくなっている。このため、最下層の固化層35dを形成するため粉末材料の薄層を加熱したときに全体が均一に昇温して溶融し、その後、均一に冷却して固化する。

第２層目の固化層35dの形成領域は、最下層の固化層35dの上で最下層の固化層35dより狭い領域にあるため、昇温した最下層の固化層35dにより昇温し、周囲領域との温度差が小さくなっている。このため、第２層目の固化層35dを形成するため粉末材料の薄層を加熱したときに全体が均一に昇温して溶融し、その後、均一に冷却して固化する。このことは、第３層目以上の固化層35dとなる粉末材料の薄層についても同じである。

よって、第３変形例によれば、積層造形物53の変形を抑制しつつ、効率よく積層造形物53を作製することができる。

（ii）第４変形例の薄層形成部のコントローラ
図３の粉末積層造形装置に適用し得る第４変形例の薄層形成部のコントローラについて、図１１（ｂ）を参照してその制御方法を説明する。

第４変形例の制御方法では、下地加熱層35bを形成させ、かつ、固化層35dを形成させる前に予備加熱層35cを形成させていることは、図４乃至図８の実施形態と同じである。一方、最下層の固化層35dを形成させる前に予備加熱層を形成させていない点、３次元造形物54の最下層の固化層35dを下地加熱層35bに固着させている点で、図４乃至図８の実施形態と異なる。

この制御方法は、第３変形例とは逆に、３次元造形物54の上部にいくほど固化層35dの形成領域が広くなる場合に有効である。

すなわち、３次元造形物54の最下層の固化層35dの形成領域は、下地加熱層35bより狭い領域にあるため、下地加熱層35bにより昇温し、周囲領域との温度差が小さくなっている。このため、最下層の固化層35dを形成するため粉末材料の薄層を加熱したときに全体が均一に昇温して溶融し、その後、均一に冷却して固化する。

一方、第２層目の固化層35dの形成領域は、最下層の固化層35dより広い領域にあるが、第２層目の固化層35dを形成させる前に、固化層35dの形成領域よりも広い領域に予備加熱層35cを形成させている。

したがって、第２層目の固化層35dの形成領域は、周囲領域との温度差が小さくなっているため、第２層目の固化層35dを形成するため粉末材料の薄層を加熱したときに全体が均一に昇温して溶融し、その後、均一に冷却して固化する。このことは、第３層目以上の固化層35dとなる粉末材料の薄層についても同じである。

よって、第４変形例によれば、積層造形物54の変形を抑制しつつ、効率よく積層造形物54を作製することができる。

以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。

11…排気口、12…排気装置、21、22…光学系、21a…ガルバノメータミラー（Ｘミラー）、21b…ガルバノメータミラー（Yミラー）、23…レーザ光源（加熱用エネルギービーム源）、24…XYZドライバ、31…薄層形成容器、32…粉末材料収納容器、32a…第１粉末材料収納容器、32b…第２粉末材料収納容器、33a…パートテーブル（第２昇降テーブル；昇降台）、33b、34b、34ab、34bb…支持軸、34a…フィードテーブル、34aa…第１フィードテーブル（第１昇降テーブル）、34ba…第２フィードテーブル（第３昇降テーブル）、35…粉末材料、35a…粉末材料の薄層、35b…下地加熱層、35c…予備加熱層、35d…固化層、36…リコータ、51、52、53、54…積層造形物、101…チャンバ、102、102a、102b…レーザ光出射部、103…薄層形成部、104…コントローラ（制御部）。

Claims (9)

1. 粉末材料の薄層を形成する昇降台と、
   前記粉末材料の薄層を加熱する加熱用エネルギービームを出射する加熱用エネルギービーム出射手段と、
   造形を制御する制御部とを有する粉末積層造形装置であって、
   前記制御部は、
   前記昇降台を制御して前記昇降台の上に粉末材料の薄層を形成させ、
   前記粉末材料の薄層の特定領域に前記加熱用エネルギービームを照射することにより、昇温した予備加熱層を形成させ、
   前記昇温した予備加熱層の形成領域内の前記粉末材料の薄層に前記加熱用エネルギービームを照射し、前記粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層を形成させる
   ことを特徴とする粉末積層造形装置。
2. 前記制御部は、請求項１の前記粉末材料の薄層に前記予備加熱層を形成させる前に、前記予備加熱層の下方に、昇温した下地加熱層を形成させることを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
3. 前記加熱用エネルギービーム出射手段は、予備加熱用エネルギービーム出射手段と固化加熱用エネルギービーム出射手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
4. 前記粉末積層造形装置は、前記昇降台を収納し、減圧環境下で形成する減圧用容器を有することを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
5. 前記粉末材料は、金属又はセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
6. 粉末材料の薄層を形成する工程と、
   前記粉末材料の薄層の特定の領域に加熱用エネルギービームを照射することにより、昇温した予備加熱層を形成する工程と、
   前記昇温した予備加熱層の領域内の前記粉末材料の薄層に前記加熱用エネルギービームを照射し、前記粉末材料の薄層を溶融し固化して固化層を形成する工程と
   を有し、各前記工程を繰り返して積層造形物を作製することを特徴とする粉末積層造形方法。
7. 最初に前記粉末材料の薄層に前記予備加熱層を形成する工程の前に、前記予備加熱層の下方に、前記加熱用エネルギービームを照射することにより昇温した下地加熱層を形成する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の粉末積層造形方法。
8. 前記粉末積層造形方法は、減圧環境下で行うことを特徴とする請求項６に記載の粉末積層造形方法。
9. 固化した積層造形物の周囲が予備加熱層の一部で覆われていることを特徴とする積層造形物。

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