JP7439520B2 - 付加製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、付加製造装置に関する。

付加製造には、例えば、指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition）方式、粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion）方式等があることが知られている。指向性エネルギー堆積方式は、光ビーム（レーザビーム及び電子ビーム等）の照射と材料の供給を行う加工ヘッドの位置を制御することで付加製造を行う。指向性エネルギー堆積方式には、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）、ＤＭＰ（Direct Metal Printing）等が含まれる。粉末床溶融結合方式は、平らに敷き詰められた粉末材料に対して、光ビームを照射することで付加製造を行う。粉末床溶融結合方式には、ＳＬＭ（Selective Laser Melting）、ＥＢＭ（Electron Beam Melting）等が含まれる。

例えば、指向性エネルギー堆積方式のＬＭＤは、硬質材を含む粉末材料等を噴射しながら光ビームを照射することにより、粉末材料等を溶融させた後に凝固させることができる。これにより、ＬＭＤは、例えば、基台に対して部分的に硬質材の造形物を付加する肉盛技術として利用されている。

そして、例えば、下記特許文献１には、超硬合金複合材が開示されている。従来の超硬合金複合材は、炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）を含む超硬合金部とニッケル（Ｎｉ）又はコバルト（Ｃｏ）を含む基材部とを有し、超硬合金部と基材部との間に、超硬合金部の成分と基材部の成分を含む中間層を有する。

国際公開第２０１９／０６９７０１号

付加製造においては、粉末材料を溶融した後に凝固させることにより、造形物を製造する。ところで、硬質材を含む粉末材料を溶融した状態から急冷によって凝固する状況では、硬質材の靭性に起因して造形物に割れが発生する虞があり、硬質の造形物の品質が低下する。この場合、粉末材料を予熱しておくことによって急冷を抑制することができる。

しかしながら、例えば、ＬＭＤでは種々の形状の基台に対して材料粉末を噴射して部分的に造形物を付加するため、ＳＬＭのようにベースプレート等の付加製造装置の一部を用いて粉末材料を予熱する方法は現実的ではない。又、ＬＭＤにおいては、ヒータ等を用いて粉末材料を予熱することも考えられるが、例えば、加工ヘッドとの干渉や制御系が複雑になる等の問題がある。

本発明は、簡単な構成により割れを抑制して高品質な造形物を付加製造することができる付加製造装置を提供することを目的とする。

付加製造装置は、硬質材及び超硬バインダを含む材料を材料の融点以上に加熱する内側光ビームを照射する内側光ビーム照射装置と、内側光ビームの外側にて材料を融点未満に加熱する外側光ビームを照射する外側光ビーム照射装置と、内側光ビーム照射装置及び外側光ビーム照射装置の各々について、内側光ビーム及び外側光ビームの照射、並びに、基台に対する内側光ビーム及び外側光ビームの相対的な走査を制御する制御装置と、を備え、超硬バインダは、コバルト（Ｃｏ）であり、制御装置は、内側光ビームが照射されて材料が溶融することにより形成された溶融池を外側光ビームが照射する際、外側光ビームの単位面積当たりの出力を表すパワー密度を、溶融池における単位時間当たりの温度低下を表す冷却速度が溶融池に含まれる超硬バインダの凝固点において５４０℃／ｓ以下となるように制御する。

これによれば、制御装置は、内側光ビームが照射されて硬質材を含む材料が溶融することにより形成された溶融池を外側光ビームが照射する際、外側光ビームのパワー密度を、溶融池の冷却における冷却速度が溶融池に含まれる超硬バインダの凝固点において５４０℃／ｓ以下となるように制御することができる。

このように、溶融池（造形物）の冷却速度が５４０℃／ｓ以下となるように、外側光ビームのパワー密度を制御して保温処理することにより、造形物の急冷凝固を抑制することができる。従って、簡単な構成により、造形物の割れの発生を防止することができ、高品質な造形物を付加製造することができる。

付加製造装置を示す図である。 図１の付加製造装置によって造形物を付加製造する基台を示す斜視図である。 造形物を付加した図２の基台を中心軸方向から見た図である。 図１の付加製造装置による造形物を付加製造する際の基台に付加した造形物の初期状態を示す断面図である。 図４の状態から走査が進んだときの基台に付加製造した造形物の途中状態及び付加状態を示す断面図である。 図１の付加製造装置において基台に造形物を付加製造する場合のパワー密度と光照射範囲との関係を示すビームプロファイルである。 予熱温度と造形物の割れの発生数との関係を示すグラフである。 超硬バインダであるコバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度を説明するためのグラフである。 内側光ビームの直径と外側光ビームの直径の大きさを説明するための図である。 内側光ビームの直径に対する外側光ビームの直径の比を変更した場合の冷却速度の変化を説明するための図である。 第一別例に係るパワー密度と光照射範囲との関係を示すビームプロファイルである。 第二別例に係り、外側光ビームの光照射形状とビームプロファイルとの関係を示すグラフである。 第三別例に係り、外側光ビームの光照射形状に応じてビームプロファイルを変更する場合を説明するための図である。 第三別例に係り、外側光ビームの光照射形状に応じてビームプロファイルを変更する場合を説明するための図である。 付加製造装置に適用される光照射装置の他の構成を示す図である。 付加製造装置に適用される光照射装置の他の構成を示す図である。

（１．付加製造装置の概要）
本例の付加製造装置は、例えば、指向性エネルギー堆積方式であってＬＭＤ方式を採用する。本例において、付加製造装置は、硬質材である硬質粉末材料に結合粉末材料を混合した粉末材料を基台に向けて噴射しながら光ビームを照射することにより、基台に硬質の造形物を付加製造する。粉末材料、特に、硬質粉末材料と基台は、異なる材料でも良く、同一種類の材料でも良い。

本例では、硬質材である炭化タングステン（ＷＣ）の硬質粉末材料を用いて造形される硬質の造形物を、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用いて形成された基台に付加製造する場合について説明する。ここで、結合粉末材料は、炭化タングステン（ＷＣ）同士を結合する超硬バインダとして作用するコバルト（Ｃｏ）を用いる。ここで、炭化タングステン（ＷＣ）の融点（凝固点）は、２８７０℃であり、超硬バインダであるコバルト（Ｃｏ）の融点（凝固点）の１４９５℃よりも高い。尚、本例においては、超硬バインダとしてコバルト（Ｃｏ）を用いる。しかし、超硬バインダはコバルト（Ｃｏ）に限られず、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を超硬バインダとして用いることも可能である。

（２．付加製造装置１００の構成）
図１に示すように、付加製造装置１００は、付加材料供給装置１１０、光ビーム照射装置１２０及び制御装置１３０を主に備える。ここで、本例においては、付加製造装置１００は、図２及び図３に示すように、大径の円盤部材Ｂ１の両側面に小径の円筒部材Ｂ２，Ｂ２が同軸に一体化された形状を有する基台Ｂに造形物ＦＦを付加製造する場合を例示する。具体的に、付加製造装置１００は、基台Ｂにおける円筒部材Ｂ２，Ｂ２の開放端部側の格子で示す周面（図示を省略する軸受の支持部）Ｂ２Ｓ，Ｂ２Ｓに造形物ＦＦを付加製造する。

基台Ｂに造形物ＦＦを付加製造する場合、図１に示すように、付加製造装置１００は、モータＭ１を回転させて基台Ｂを中心軸線Ｃの回りに回転させる。又、付加製造装置１００は、モータＭ２を回転させて基台Ｂを中心軸線Ｃの方向に移動させる。これにより、円筒部材Ｂ２，Ｂ２の周面Ｂ２Ｓ，Ｂ２Ｓの全体に亘って層状に造形物ＦＦを付加製造することができる。

付加材料供給装置１１０は、ホッパ１１１、バルブ１１２、ガスボンベ１１３及び噴射ノズル１１４を備える。ホッパ１１１は、結合粉末材料Ｐ２が混合された硬質粉末材料Ｐ１を貯蔵する。本例においては、造形物ＦＦは、大量の硬質粉末材料Ｐ１と少量の結合粉末材料Ｐ２で形成されるため、硬質粉末材料Ｐ１に混合する結合粉末材料Ｐ２の量は、造形物ＦＦにおける結合粉末材料Ｐ２に対応した量とする。

バルブ１１２は、粉末導入バルブ１１２ａ、粉末供給バルブ１１２ｂ及びガス導入バルブ１１２ｃを備える。粉末導入バルブ１１２ａは、配管１１１ａを介してホッパ１１１と接続される。粉末供給バルブ１１２ｂは、配管１１４ａを介して噴射ノズル１１４と接続される。又、ガス導入バルブ１１２ｃは、配管１１３ａを介してガスボンベ１１３と接続される。

噴射ノズル１１４は、例えば、ガスボンベ１１３から供給される高圧の窒素により、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を、基台Ｂの円筒部材Ｂ２の周面Ｂ２Ｓに対して噴射して供給する。噴射ノズル１１４は、本例では、２本を１８０度隔てて配置した場合を示すが、１本若しくは等角度間隔で配置される３本以上の噴射ノズル１１４を備える構成としても良い。或いは、噴射ノズル１１４は、光ビーム照射装置１２０が光ビームを照射する照射孔周りに配置された環状の噴射孔を備える構成としても良い。又、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を噴射するガスは、窒素に限定されるものではなく、アルゴン等の不活性ガスでも良い。

光ビーム照射装置１２０は、内側光ビーム照射装置１２１と、外側光ビーム照射装置１２２とを主に備える。内側光ビーム照射装置１２１は、内側光ビーム照射部１２１ａ及び内側光ビーム光源１２１ｂを主に備える。外側光ビーム照射装置１２２は、外側光ビーム照射部１２２ａ及び外側光ビーム光源１２２ｂを主に備える。

内側光ビーム照射装置１２１は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに対し、内側光ビーム光源１２１ｂから内側光ビーム照射部１２１ａ内にて配置された図示省略のコリメータレンズや集光レンズを通して内側光ビームＬＣを照射する。又、外側光ビーム照射装置１２２は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに対し、外側光ビーム光源１２２ｂから外側光ビーム照射部１２２ａ内にて配置された図示省略のコリメータレンズや集光レンズを通して外側光ビームＬＳを照射する。

ここで、本例においては、内側光ビーム照射装置１２１は、円形状の照射形状（内側光照射範囲ＣＳ）となる内側光ビームＬＣを照射する。又、外側光ビーム照射装置１２２は、内側光ビームＬＣと同軸で外周を囲う円環状の照射形状（外側光照射範囲ＳＳ）となる外側光ビームＬＳを照射する。内側光ビームＬＣは、主として、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓにおいて硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を溶融して造形物ＦＦを付加製造する。外側光ビームＬＳは、主として、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに付加製造された造形物ＦＦ（より詳しくは、後述する溶融池ＭＰ）の温度低下を抑制即ち保温する。尚、本例においては、内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳとして、レーザ光を用いる。しかしながら、内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳはレーザ光に限られず、電磁波であれば例えば電子ビームを用いることも可能である。

又、本例においては、円形状の内側光ビームＬＣと円環状の外側光ビームＬＳを照射するが、内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳは円状に限られるものではない。例えば、内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの各々を四角形状にしたり、内側光ビームＬＣを円状又は四角形状とし且つ外側光ビームＬＳを四角形状又は円状として組み合わせたりすることも可能である。

制御装置１３０は、付加材料供給装置１１０の粉末供給を制御する。具体的に、制御装置１３０は、粉末供給バルブ１１２ｂ及びガス導入バルブ１１２ｃの開閉を制御して、噴射ノズル１１４からの硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２の噴射供給を制御する。

制御装置１３０は、光ビーム照射装置１２０即ち内側光ビーム照射装置１２１及び外側光ビーム照射装置１２２の光照射を制御する。又、制御装置１３０は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに対する内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの相対的な走査を制御する。具体的に、制御装置１３０は、モータＭ１の回転を制御して基台Ｂを中心軸線Ｃの回りに回転させると共に、モータＭ２の回転を制御して基台Ｂを中心軸線Ｃの方向に移動させる。これにより、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓに対する内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの相対的な走査を制御する。

尚、本例においては、制御装置１３０が基台Ｂを回転及び移動させるようにする。しかしながら、光ビーム照射装置１２０即ち内側光ビーム照射装置１２１及び外側光ビーム照射装置１２２を基台Ｂに対して相対的に移動させるように構成可能であることは言うまでもない。

又、制御装置１３０は、内側光ビーム光源１２１ｂ及び外側光ビーム光源１２２ｂの動作をそれぞれ制御する。これにより、制御装置１３０は、内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの各出力条件をそれぞれ独立して制御する。ここで、出力条件としては、例えば、それぞれのレーザ出力や、内側光照射範囲ＣＳ及び外側光照射範囲ＳＳの各単位面積当たりのレーザ出力（Ｗ）であるパワー密度の分布形状、即ち、ビームプロファイルを挙げることができる。

（２－２．造形物ＦＦの付加製造方法）
次に、造形物ＦＦの付加製造方法について説明する。造形物ＦＦの付加製造方法では、第一段階として、外側光ビームＬＳにより、造形物ＦＦの付加製造処理における前処理として初期の予熱処理を行う。基台Ｂの周面Ｂ２Ｓの温度が低い状態では、レーザ照射による熱エネルギーが基台Ｂに逃げ易い。これにより、第二段階において造形物ＦＦを基台Ｂに付加製造する場合、スパッタの発生等の溶融の不良要因となり易いため、第一段階で基台Ｂの周面Ｂ２Ｓを予熱する。このとき、初期の予熱処理における内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳのレーザ出力は、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓが溶融せずに所定の温度となるように制御される。尚、付加製造においては、必要に応じて、第一段階を省略することも可能である。

次に、第二段階として、図４に示すように、内側光ビームＬＣを照射することにより、内側光照射範囲ＣＳにおいて、基台Ｂの周面Ｂ２Ｓ及び硬質粉末材料Ｐ１を溶融して溶融池ＭＰを形成する溶融処理を行う。又、この溶融処理においては、外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳの走査方向ＳＤにおける前側の照射範囲ＳＳＦにて、外側光ビームＬＳの一部である第一光ビームＢｅ１により溶融池ＭＰの形成処理の前処理としての予熱処理を行う。

そして、図５に示すように、内側光ビームＬＣを走査する走査方向ＳＤに走査する（本例では、基台Ｂが回転して走査するが、図５では便宜上、内側光ビームＬＣを走査するものとして説明する）ことで溶融池ＭＰを拡大させることにより、造形物ＦＦを付加製造する。ここで、造形物ＦＦは、硬質粉末材料Ｐ１の炭化タングステン（ＷＣ）がバインダとして作用する結合粉末材料Ｐ２のコバルト（Ｃｏ）によって結合されて、基台Ｂに部分的に付加される。

又、内側光ビームＬＣは、溶融池ＭＰを拡大させるように硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を溶融させた後、走査方向ＳＤに順次移動する。このため、外側光ビームＬＳの外側光照射範囲ＳＳの走査方向ＳＤにおける後側の照射範囲ＳＳＢで外側光ビームＬＳの一部である第二光ビームＢｅ２が溶融池ＭＰを照射する。これにより、第二光ビームＢｅ２は、造形物ＦＦの付加製造の後処理としての保温処理を行う。

このとき、制御装置１３０は、図６に示すように、内側光ビームＬＣのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークＬＣＰ１を、外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ１より増加させる制御を行う。内側光ビームＬＣのレーザ出力は、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を溶融して溶融池ＭＰを形成できる温度となるように制御される。又、外側光ビームＬＳ即ち第一光ビームＢｅ１及び第二光ビームＢｅ２のレーザ出力は、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を溶融させることがない所定の温度となるように制御される。

（３．外側光ビームＬＳ（第二光ビームＢｅ２）による保温処理）
ここで、第二光ビームＢｅ２による造形物ＦＦの保温処理について具体的に説明する。結合粉末材料Ｐ２であるコバルト（Ｃｏ）は、硬質粉末材料Ｐ１である炭化タングステン（ＷＣ）を結合するバインダとして作用する。即ち、コバルト（Ｃｏ）は、付加製造において溶融池ＭＰが溶融状態から凝固状態に遷移する場合、バインダとして炭化タングステン（ＷＣ）の粒子同士を結合する。コバルト（Ｃｏ）をバインダとして作用させて造形物ＦＦの割れを抑制するためには、コバルト（Ｃｏ）が凝固点（換言すれば、融点であり約１５００℃）から冷却するときの単位時間当たりの温度低下即ち冷却速度を適切に管理して保温処理を行う必要がある。

（３－１．冷却速度について）
発明者等は、種々の予備的な実験を繰り返し行った結果、結合粉末材料Ｐ２のコバルト（Ｃｏ）が適切にバインダとして作用し、保温処理後において造形物ＦＦの割れを抑制する冷却速度（℃／ｓ）を見出した。以下、このことを具体的に説明する。

上述したように、炭化タングステン（ＷＣ）等の硬質材を含む造形物ＦＦにおいては、付加製造後において急冷されると、靭性が低いために割れが生じ易くなる。このため、ＬＭＤにより基台Ｂに造形物ＦＦを付加製造した場合、造形物ＦＦの急冷を防止するために保温処理を行うことが有効である。ここで、発明者等は、造形物ＦＦの割れの発生に対する急冷の影響を確認する予備的な実験を行った。具体的に、発明者等は、例えば、コバルト（Ｃｏ）が溶融する１５００℃以上からの急冷の程度を異ならせるように、硬質粉末材料Ｐ１及びコバルト（Ｃｏ）を含む結合粉末材料Ｐ２を種々の温度に予熱（加熱）し、造形物ＦＦの割れの有無を確認した。その結果、図７に示すように、予熱温度（加熱温度）が６００℃未満のとき、即ち、凝固点からの急冷の程度が大きい場合には、造形物ＦＦに割れが発生し、予熱温度（加熱温度）が６００℃以上のとき、即ち、凝固点からの急冷の程度が小さい場合には、造形物ＦＦに割れが発生しないことを確認した。

このことは、図８に造形物ＦＦにおける温度の時間変化の線図を示すように、コバルト（Ｃｏ）を含む材料の予熱が行われない場合（図８にて破線により示す）には、コバルト（Ｃｏ）の凝固点即ち融点を超えるまで加熱された後において急速に造形物ＦＦの温度が低下する。つまり、予熱がない場合には、凝固後において予め与えられている熱エネルギーが相対的に小さい。このため、従って、図８にて太い二点鎖線により示すように、コバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度（℃／ｓ）、即ち、コバルト（Ｃｏ）の凝固点における接線の傾きは大きくなる。

一方、コバルト（Ｃｏ）を含む材料が予熱されて予熱温度（加熱温度）が６００℃以上の場合（図８にて実線により示す）には、コバルト（Ｃｏ）の凝固点即ち融点を超えるまで加熱された後において緩やかに造形物ＦＦの温度が低下する。つまり、予熱がある場合には、凝固した後において予め与えられている熱エネルギーが相対的に大きい。このため、図８にて太い二点鎖線により示すように、コバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度（℃／ｓ）は、予熱がない場合に比べて、小さくなる。

このことから、発明者等は、結合粉末材料Ｐ２のコバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度（℃／ｓ）を適切に設定することにより、造形物ＦＦの割れを抑制できるという知見を得た。そして、発明者等は、コバルト（Ｃｏ）の凝固点（約１５００℃、より詳しくは、１４９５℃）における最適な冷却速度（℃／ｓ）を特定するための種々の実験を行った。その結果、コバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度（℃／ｓ）を５４０℃／ｓ以下となるように保温した場合に、造形物ＦＦの急冷が防止され、造形物ＦＦの割れが生じないことを見出した。

このことに基づき、制御装置１３０は、外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルを、冷却速度が５４０℃／ｓ以下となるように設定し、外側光ビーム照射装置１２２の作動を制御する。これにより、外側光ビームＬＳが照射される外側光照射範囲ＳＳにおいては、５４０℃／ｓ以下となる冷却速度となり、換言すれば、６００℃以上の状態で保温され、急冷が防止される。その結果、造形物ＦＦの割れを抑制することができる。

（３－２．外側光照射範囲ＳＳの大きさについて）
上述したように、制御装置１３０は、外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルを設定する、換言すれば、外側光照射範囲ＳＳにおいてコバルト（Ｃｏ）の凝固点での冷却速度を５４０℃／ｓ以下となるように設定する。ところで、このように冷却速度を設定した場合であっても、冷却により凝固していく溶融池ＭＰが外側光照射範囲ＳＳに含まれている時間が短くなると、結果として、溶融池ＭＰ即ち造形物ＦＦが急冷される可能性がある。

そこで、発明者等は、冷却速度を５４０℃／ｓ以下に設定し、且つ、走査方向ＳＤに向けた光ビームの走査速度を適宜想定した場合において、最適な外側光照射範囲ＳＳの大きさを特定した。図９に示すように、本例においては、円形の内側光ビームＬＣが照射される円形の内側光照射範囲ＣＳに対して外側光ビームＬＳが照射される外側光照射範囲ＳＳは同心円状に配置される。ここで、図９に示すように、内側光ビームＬＣによる内側光照射範囲ＣＳの内側光ビームＬＣの走査方向ＳＤにおける長さに相当する直径を直径φ１とし、外側光ビームＬＳによる外側光照射範囲ＳＳの外側光ビームＬＳの走査方向ＳＤにおける長さに相当する直径を直径φ２とする。尚、内側光照射範囲ＣＳ及び外側光照射範囲ＳＳの各々の直径は、「ビームスポット径」とも称呼される。

内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳが一体に走査方向ＳＤに向けて走査された場合、走査速度が大きい場合には、図９において内側光照射範囲ＣＳに対応する溶融池ＭＰは、相対的に走査方向ＳＤと反対側に向けて速やかに外側光照射範囲ＳＳの外側に移動する。従って、この場合には、溶融池ＭＰが外側光照射範囲ＳＳの内部に存在している時間が短くなるため、保温時間が短くなる。一方、走査速度が小さい場合には、溶融池ＭＰは、相対的に走査方向ＳＤと反対側に向けて移動するものの、外側光照射範囲ＳＳの内側に存在する時間が長くなるため、保温時間が長くなる。

ここで、発明者等は、例えば、走査速度を通常の付加製造において設定される速度に設定した場合を想定し、内側光照射範囲ＣＳの直径φ１に対する外側光照射範囲ＳＳの直径φ２の比αを異ならせた。そして、発明者等は、比αを異ならせた場合において、溶融池ＭＰにおいて冷却速度５４０℃／ｓ以下を満たす比αを実験的に確認した。この結果、図１０にて太い長破線により示すように、例えば、比αの値が１．２（直径φ１に対して直径φ２が１．２倍に相当）となる「Ｗ」の場合、外側光ビームＬＳのパワー密度を変化させても、冷却速度５４０℃／ｓ以下を満たすことができない。

尚、図１０に示すパワー密度「Ａ」は、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を融点以上に加熱して溶融させることができるパワー密度である。即ち、「Ａ」よりも小さいパワー密度は、硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２を融点未満に加熱するのみで溶融させないパワー密度である。

一方、図１０にて実線により示すように、例えば、比αの値が１．５（直径φ１に対して直径φ２が１．５倍に相当）となる「Ｘ」の場合、「Ｗ」に比べて、外側光照射範囲ＳＳの直径φ２が大きくなる。これにより、「Ｘ」の場合には、冷却速度５４０℃／ｓ以下を満たす。但し、「Ｘ」の場合には、外側光ビームＬＳにパワー密度を「Ａ」に近づけるように大きくする必要がある。これにより、コバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度５４０℃／ｓ以下を満たした状態で溶融池ＭＰ、即ち、造形物ＦＦを保温処理することができる。従って、造形物ＦＦの割れを抑制することができる。

又、図１０にて一点鎖線により示すように、例えば、比αの値が２．０（直径φ１に対して直径φ２が２倍に相当）となる「Ｙ」の場合、「Ｘ」の場合に比べて、外側光照射範囲ＳＳの直径φ２が更に大きくなる。従って、「Ｙ」の場合には、相対的に溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）が外側光照射範囲ＳＳの内部に存在する時間が長くなる。このため、「Ｙ」の場合には、外側光ビームＬＳのパワー密度が比較的小さくなっても、冷却速度５４０℃／ｓ以下を満たした状態で溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）を保温処理することができる。即ち、造形物ＦＦの割れを抑制することができる。

更に、図１０にて二点鎖線により示すように、例えば、比αの値が３．０（直径φ１に対して直径φ２が３倍に相当）となる「Ｚ」の場合、「Ｙ」の場合に比べて外側光照射範囲ＳＳの直径φ２がより大きくなる。従って、「Ｚ」の場合には、相対的に溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）が外側光照射範囲ＳＳの内部に存在する時間がより長くなる。このため、「Ｚ」の場合には、外側光ビームＬＳのパワー密度がより小さくなっても、冷却速度５４０℃／ｓ以下を満たした状態で溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）を保温処理することができる。即ち、造形物ＦＦの割れを抑制することができる。

これらの知見に基づき、本例においては、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）の保温処理において、溶融池ＭＰに含まれるコバルト（Ｃｏ）の凝固点での冷却速度が５４０℃／ｓ以下とする。そして、本例においては、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）の保温処理において、内側光照射範囲ＣＳの直径φ１に対して外側光照射範囲ＳＳの直径φ２が１．５倍以上となるように、外側光照射範囲ＳＳの大きさを設定する。そして、これらの条件を満たすように、制御装置１３０は、外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルを設定し、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）の保温処理を行う。

（４．本例の効果）
上述した本例によれば、制御装置１３０は、内側光ビームＬＣが照射されて硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２が溶融することにより形成された溶融池ＭＰを外側光ビームＬＳが照射する際、外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルを、溶融池ＭＰにおける冷却速度（℃／ｓ）が溶融池ＭＰに含まれるコバルト（Ｃｏ）の凝固点において５４０℃／ｓ以下となるように制御することができる。

このように、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）の冷却速度が５４０℃／ｓ以下となるように、外側光ビームＬＳのビームプロファイルを設定し、外側光ビーム照射装置１２２を制御して保温処理することにより、造形物ＦＦの急冷凝固を抑制することができる。従って、簡単な構成により、造形物ＦＦの割れの発生を防止することができ、高品質な造形物ＦＦを付加製造することができる。

（５．本例の第一別例）
例えば、造形物ＦＦを層状に繰り返し付加製造を行う場合、内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳが繰り返し照射されることにより、基台Ｂや造形物ＦＦの温度が上昇する場合がある。上述したように、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）が適切に保温されることにより、造形物ＦＦの割れを抑制することができる。そこで、この第一別例においては、例えば、放射温度計等によって検出された基台Ｂや造形物ＦＦの温度に基づいて、制御装置１３０が検出された温度に応じて少なくとも外側光ビームＬＳのパワー密度のビームプロファイルにおけるピークＬＳＰ１を低下させる。

即ち、第一別例においては、付加製造の繰り返しにより、基台Ｂや造形物ＦＦが結果的に予熱（加熱）されている場合、図１１に示すように、外側光ビームＬＳのパワー密度のピークＬＳＰ１を低下させる。この場合においても、上述した本例と同様に、溶融池ＭＰにおいて、コバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度５４０℃／ｓを満たし、造形物ＦＦの割れを抑制することができる。更に、この場合には、付加製造に要するエネルギーの低減、ひいては、付加製造に要する製造コストを低減することができる。

（６．本例の第二別例）
上述した本例においては、外側光照射範囲ＳＳを円形とし、外側光照射範囲ＳＳが内側光照射範囲ＣＳと同心円状となるようにした。これに代えて、第二別例においては、例えば、外側光ビーム照射装置１２２を構成する図示省略の光学系を適宜設定することにより、図１２に示すように、外側光照射範囲ＳＳの形状を走査方向ＳＤに沿った方向の長軸を有する楕円形状とする。更に、第二別例において、内側光照射範囲ＣＳが外側光照射範囲ＳＳに含まれており、走査方向ＳＤにおいて内側光照射範囲ＣＳよりも後側、即ち、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）を保温する側が、基台Ｂを予熱する側より大きくなるように、外側光照射範囲ＳＳを内側光照射範囲ＣＳに対して配置する。

これにより、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）を保温するための時間を上述した本例よりも長く確保することができる。このため、保温処理に要する外側光ビームＬＳのパワー密度のピークＬＳＰ１を低減することが可能であり、例えば、付加製造における省エネルギーや製造コストの低減を達成することができると共に確実に溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）を保温することができる。尚、第二別例においては、外側光照射範囲ＳＳの形状を走査方向ＳＤに沿った方向の長軸を有する楕円形状としたが、図１２において長鎖線により示すように、外側光照射範囲ＳＳの形状を走査方向ＳＤに沿った方向の長辺を有する四角形状とすることも可能である。この場合においても、上述した第二別例と同様の効果が得られる。

（７．本例の第三別例）
上記本例においては、第一光ビームＢｅ１及び第二光ビームＢｅ２のパワー密度のビームプロファイルに関し、ピークＬＳＰ１を同じとした。例えば、造形物ＦＦを精密に付加製造する場合、上述した比αを「１．５」に設定する可能性が高く、この場合には、図１０に示したように、上記本例では第一光ビームＢｅ１のパワー密度も大きくなってしまう。又、例えば、上述した第二別例のように、走査方向ＳＤにおいて内側光照射範囲ＣＳよりも後側となる外側光照射範囲ＳＳを大きくした場合、保温時間が長くなるため第二光ビームＢｅ２のパワー密度をより小さくすることが好ましい。尚、この場合には、光ビーム照射装置１２０における光学系や第一光ビームＢｅ１及び第二光ビームＢｅ２のパワー密度のビームプロファイルを独立して変更可能な構成とすることがより好ましい。

従って、付加製造の状況に応じて、図１３及び図１４に示すように、第一光ビームＢｅ１のパワー密度のビームプロファイルのピークＬＳＰ１と、第二光ビームＢｅ２のパワー密度のビームプロファイルのピークＬＳＰ２と、を異ならせることも可能である。これにより、付加製造に必要なエネルギーを効率良く利用することができ、その結果、付加製造の生産性の向上や省エネルギー及びコスト低減を達成することができる。

（８．その他）
上述した本例においては、光ビーム照射装置１２０は、内側光ビーム照射装置１２１及び外側光ビーム照射装置１２２を同軸的に配置するようにした。そして、上述した本例においては、外側光ビーム照射装置１２２は、外側光ビームＬＳとして円環状の光ビームを照射することにより、内側光ビームＬＣによる内側光照射範囲ＣＳの外周に外側光照射範囲ＳＳを形成するようにした。

このように、内側光ビーム照射装置１２１に対して同軸的に外側光ビーム照射装置１２２を備えて外側光ビームＬＳを円環状に照射することに代えて、図１５に示すように、光ビーム照射装置１２０を構成することも可能である。即ち、光ビーム照射装置１２０が、外側光ビーム照射装置として、後側光ビーム照射装置１２３及び前側光ビーム照射装置１２４を備えても良い。尚、前側光ビーム照射装置１２４については、必要に応じて省略することができる。

後側光ビーム照射装置１２３は、後側光ビーム照射部１２３ａ及び後側光ビーム光源１２３ｂを主に備え、内側光ビームＬＣの走査方向ＳＤにて後側に円形照射形状の後側光照射範囲ＢＳＳとなる後側光ビームＢＬＳを照射する。前側光ビーム照射装置１２４は、前側光ビーム照射部１２４ａ及び前側光ビーム光源１２４ｂを主に備え、内側光ビームＬＣの走査方向ＳＤにて前側に円形照射形状の前側光照射範囲ＦＳＳとなる前側光ビームＦＬＳを照射する。これにより、前側光ビームＦＬＳの前側光照射範囲ＦＳＳにおいて溶融池ＭＰの形成処理の前処理として予熱処理を行い、後側光ビームＢＬＳの後側光照射範囲ＢＳＳにおいて溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）の付加処理の後処理として保温処理を行う。

ここで、図１５に示すように光ビーム照射装置１２０が構成される場合、制御装置１３０は、少なくとも、後側光ビーム照射装置１２３による後側光照射範囲ＢＳＳが内側光ビーム照射装置１２１による内側光照射範囲ＣＳの走査軌跡を追従するように、後側光ビーム照射装置１２３の走査を制御する。これにより、内側光ビーム照射装置１２１によって形成された溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）は、後側光ビーム照射装置１２３による後側光照射範囲ＢＳＳ内に存在する。従って、後側光ビーム照射装置１２３は、上述の本例と同様に、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）の保温処理を行うことができる。

又、光ビーム照射装置１２０は、後側光ビーム照射装置１２３及び前側光ビーム照射装置１２４の少なくとも一方を備えることができる。このため、例えば、前側光ビーム照射装置１２４を備える場合、図１６に例示するように、内側光照射範囲ＣＳに対して前側光照射範囲ＦＳＳを重ねるようにすることも可能である。即ち、内側光照射範囲ＣＳに対して後側光照射範囲ＢＳＳ及び前側光照射範囲ＦＳＳの少なくとも一方を重ねるようにすることも可能である。このように、２つの光ビームを重ねることにより、上述の本例と同様に、溶融池ＭＰ（造形物ＦＦ）の保温処理を行うことができる。

又、上記本例では、付加製造装置１００において、付加材料供給装置１１０により、基台Ｂに対して硬質粉末材料Ｐ１及び結合粉末材料Ｐ２からなる粉末材料を噴射して供給するようにした。しかしながら、基台Ｂへの材料供給に関しては、粉末材料に限定されず、金属製の線形材料からなる、例えば、ワイヤ等を付加材料供給装置により供給することも可能である。この場合においては、供給された線形材料が光ビーム照射装置１２０から照射された内側光ビームＬＣにより溶融され且つ外側光ビームＬＳにより保温されることにより、基台Ｂに造形物ＦＦを付加製造することができる。従って、上記本例と同様の効果が期待できる。

更に、上述した本例等では、付加製造装置１００がＬＭＤ方式を採用した場合を説明した。これに代えて、付加製造装置１００がＳＬＭ方式を採用した場合であっても、外側光ビーム照射装置が溶融池（造形物）の冷却に際してコバルト（Ｃｏ）の凝固点における冷却速度を５４０℃／ｓ以下として保温することが可能である。但し、ＳＬＭを採用した場合、通常、光ビームの走査速度はＬＭＤの光ビームの走査速度よりも速い。このため、付加製造装置１００がＳＬＭを採用した場合には、例えば、通常の付加製造時よりも内側光ビームＬＣ及び外側光ビームＬＳの走査速度を低下させることが好ましい。走査速度を低下させるほど、外側光ビームＬＳによる保温効果がより発揮される。

１００…付加製造装置、１１０…付加材料供給装置、１２０…光ビーム照射装置、１２１…内側光ビーム照射装置、１２１ａ…内側光ビーム照射部、１２１ｂ…内側光ビーム光源、１２２…外側光ビーム照射装置、１２２ａ…外側光ビーム照射部、１２２ｂ…外側光ビーム光源、１２３…後側光ビーム照射装置、１２３ａ…後側光ビーム照射部、１２３ｂ…後側光ビーム光源、１２４…前側光ビーム照射装置、１２４ａ…前側光ビーム照射部、１２４ｂ…前側光ビーム光源、１３０…制御装置、Ｂ…基台、Ｂｅ１…第一光ビーム（外側光ビーム）、Ｂｅ２…第二光ビーム（外側光ビーム）、Ｐ１…硬質粉末材料、Ｐ２…結合粉末材料、ＦＦ…造形物、ＭＰ…溶融池、ＬＣ…内側光ビーム、ＬＳ…外側光ビーム、ＳＤ…走査方向

Claims (15)

1. 硬質材及び超硬バインダを含む材料を前記材料の融点以上に加熱する内側光ビームを照射する内側光ビーム照射装置と、
   前記内側光ビームの外側にて前記材料を前記融点未満に加熱する外側光ビームを照射する外側光ビーム照射装置と、
   前記内側光ビーム照射装置及び前記外側光ビーム照射装置の各々について、前記内側光ビーム及び前記外側光ビームの照射、並びに、基台に対する前記内側光ビーム及び前記外側光ビームの相対的な走査を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記超硬バインダは、コバルト（Ｃｏ）であり、
   前記制御装置は、
   前記内側光ビームが照射されて前記材料が溶融することにより形成された溶融池を前記外側光ビームが照射する際、前記外側光ビームの単位面積当たりの出力を表すパワー密度を、前記溶融池における単位時間当たりの温度低下を表す冷却速度が前記溶融池に含まれる前記超硬バインダの凝固点において５４０℃／ｓ以下となるように制御する、付加製造装置。
2. 前記外側光ビームによる外側光照射範囲の前記外側光ビームの前記走査の方向における長さは、前記内側光ビームによる内側光照射範囲の前記内側光ビームの前記走査の方向における長さに対して１．５倍以上である、請求項１に記載の付加製造装置。
3. 前記外側光ビームは、円形状の前記内側光ビームと同軸となる円環状に照射される、請求項１又は２に記載の付加製造装置。
4. 前記外側光ビームは、四角形状に照射される、請求項１又は２に記載の付加製造装置。
5. 前記外側光ビームは、前記走査の方向に沿った長軸を有する楕円形状に照射される、請求項１又は２に記載の付加製造装置。
6. 前記内側光ビームによる内側光照射範囲が前記外側光ビームによる外側光照射範囲に含まれる場合、前記外側光ビームは前記内側光ビームの前記走査の方向において前側よりも後側が長くなる前記楕円形状に照射される、請求項５に記載の付加製造装置。
7. 前記外側光ビームは、前記走査の方向に沿った長辺を有する四角形状に照射される、請求項１又は２に記載の付加製造装置。
8. 前記内側光ビームによる内側光照射範囲が前記外側光ビームによる外側光照射範囲に含まれる場合、前記外側光ビームは前記内側光ビームの前記走査の方向において前側よりも後側が長くなる前記四角形状に照射される、請求項７に記載の付加製造装置。
9. 前記制御装置は、
   前記基台上における前記材料の温度に基づいて、少なくとも前記外側光ビームの前記パワー密度を変更する、請求項１－８のうちの何れか一項に記載の付加製造装置。
10. 前記外側光ビームは、前記材料の融点未満且つ前記材料を６００℃以上に加熱する、請求項１－９のうちの何れか一項に記載の付加製造装置。
11. 前記制御装置に制御されることにより、前記基台に対し前記材料の粉末材料を噴射して供給する付加材料供給装置を備え、
    前記内側光ビーム照射装置は、前記付加材料供給装置が前記基台に対して供給した前記粉末材料に前記内側光ビームを照射して前記粉末材料を溶融し、
    前記外側光ビーム照射装置は、前記内側光ビームの照射によって前記粉末材料が溶融して形成された前記溶融池に前記外側光ビームを照射する、請求項１－１０のうちの何れか一項に記載の付加製造装置。
12. 前記制御装置は、前記内側光ビーム照射装置によって照射された前記内側光ビームの前記走査の軌跡を追従するように、前記外側光ビーム照射装置によって照射された前記外側光ビームの前記走査を制御する、請求項１－１１のうちの何れか一項に記載の付加製造装置。
13. 前記制御装置は、少なくとも前記内側光ビームの前記走査の方向に対して後側における前記外側光ビームの前記パワー密度を制御する、請求項１－１２のうちの何れか一項に記載の付加製造装置。
14. 前記硬質材の融点は、前記超硬バインダの融点よりも高い、請求項１－１３のうちの何れか一項に記載の付加製造装置。
15. 前記硬質材は、炭化タングステン（ＷＣ）である、請求項１４に記載の付加製造装置。

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