JP7066131B2 - レーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光及び粉末材料を供給しながら被加工物に対して走査を行って、被加工物の表面に造形物を形成するレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置に関する。

レーザ光及び粉末材料を供給しながら被加工物に対して走査を行って、被加工物の表面に造形物を形成するレーザ積層造形方法が普及しはじめている。このようなレーザ積層造形方法の中には、積層中心位置付近に沿ってパウダーを供給し、パウダーをレーザ光で溶融し、積層中心位置付近に沿った溶融を複数回行うことで多層に積層する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２００７－３０１９８０号公報

特許文献１に記載のレーザ積層造形方法により、パウダーをレーザ光で溶融しながら、積層中心位置付近に沿った溶融を複数回行うことで、複数の層を積層できる。しかし、積層工程の間に、異物の混入、噴射ガスの混入、酸化・窒化等の化学反応、加熱不足等により、空孔が生じる可能性がある。特に、積層物内部の結晶方位が乱れた領域では空孔が生じ易く、この空孔により造形物の強度が低下する問題が生じる。特に、積層物の表面近傍において結晶方位の乱れが大きいため、表面硬度が低下するという問題も生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、造形物内部の空孔を低減することにより造形物の強度を向上させるとともに、造形物の表面硬度を向上させることができるレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係るレーザ積層造形方法では、
レーザ光を照射領域に照射する照射部及び前記照射領域に金属粉末を供給する供給部を有するヘッドと、前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、を備えたレーザ積層造形装置を用いて、被加工物の表面に造形物を形成する方法であって、
レーザ光の照射及び金属粉末の供給を行う状態で、前記ヘッドを前記被加工物に対して移動させて積層する処理を複数回行って、前記被加工物の上に複数層からなる積層物を形成する積層工程と、
前記積層工程の後、レーザ光の照射を行い金属粉末の供給を行なわない状態で、前記ヘッドを前記被加工物に対して移動させて、前記積層物の表面にレーザ光を照射して再溶融させる再溶融工程と、
を含む積層、再溶融プロセスを少なくとも１回実施して前記造形物を形成する。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係るレーザ積層造形装置では、
レーザ光を照射領域に照射する照射部及び前記照射領域に金属粉末を供給する供給部を有するヘッドと、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、
前記照射部、前記供給部及び前記移動機構を制御する制御部と、
を備えた、被加工物の表面に造形物を形成する装置であって、
前記制御部が、
前記照射部及び前記供給部をオンにした状態で前記移動機構を駆動する制御処理を複数回行うことにより、前記ヘッドが前記被加工物に対して移動して積層が行なわれる処理が複数回行なわれて、前記被加工物の上に複数層からなる積層物が形成される積層ステップと、
前記積層ステップの後、前記照射部をオンにし、前記供給部をオフにした状態で前記移動機構を駆動することにより、前記積層物の表面にレーザ光が照射されて再溶融が生じる再溶融ステップと、
を含む積層、再溶融制御処理を少なくとも１回実施する。

上記態様によれば、造形物内部の空孔を低減することにより造形物の強度を向上させるとともに、造形の表面硬度を向上させることができるレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係るレーザ積層造形装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ積層造形方法の積層工程を模式的に示す図である。 本発明の第1の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を構成する（ａ）平面再溶融処理、及び（ｂ）側面再溶融処理を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を構成する（ａ）平面再溶融処理、及び（ｂ）傾斜面再溶融処理を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を模式的に示す図である。 再溶融工程を実施した場合と実施しない場合における造形物の空孔率を比較して示したグラフである。 結晶方位制御試験のための側面再溶融処理の手順を模式的に示す斜視図である。 図８に示す手順で側面再溶融処理を施した造形物の結晶方位の変化を示す断面エッチング画像である。 面心立方構造を有する造形物における側面再溶融処理による結晶方位の変化を表す薄膜Ｘ線解析結果を示すグラフである。 側面再溶融処理による表面硬度の変化を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示す場合があるが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態では前述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

（１つの実施形態に係るレーザ積層造形装置）
はじめに、図１を参照しながら、本発明の１つの実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図１は、本発明の１つの実施形態に係るレーザ積層造形装置の構成を模式的に示す図である。図１（ａ）は、レーザ積層造形装置２の吹出ノズル２２部分を断面で示した模式的な側面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢視Ａ－Ａ図である。

本実施形態に係るレーザ積層造形装置２は、レーザ光Ｌ（一点鎖線の矢印参照）を照射領域Ｓに照射する照射部１０及び照射領域Ｓに金属粉末Ｐ（破線の矢印参照）を供給する供給部２０を有するヘッド３０を備える。更に、レーザ積層造形装置２は、ヘッド３０及び被加工物６０を相対的に移動させる移動機構４０と、照射部１０、供給部２０及び移動機構４０を制御する制御部７０とを備える。このような構成により、レーザ積層造形装置２は、被加工物６０の表面に造形物を形成することができる。

本実施形態では、被加工物６０は移動せず、移動機構４０によりヘッド３０が移動するようになっている。ただしこれに限られるものではなく、ヘッド３０は移動せず、被加工物６０が移動する場合もあり得るし、ヘッド３０及び被加工物６０の両方が移動する場合もあり得る。

＜照射部１０＞
照射部１０について更に詳細に述べれば、照射部１０は、レーザ光源装置１２と、レーザ光源装置１２の出射側に光学的に接続された光ファイバ１４と、光ファイバ１４の出射側に光学的に接続された光学系１６とを備える。本実施形態に係るレーザ光源装置１２は、波長１０６０ｎｍのレーザ光を出射するが、これに限られるものではなく、例えば、８００～１０８０ｎｍ程度の近赤外波長のレーザ光であれば、任意の波長のレーザ光を用いることができる。レーザ光源装置１２の出力としては、２ｋＷ～１０ｋＷを例示できるが、これに限られるものではない。レーザ光源装置１２のタイプも、近赤外線領域のレーザ光を出射するレーザ光源であれば、ＹＡＧレーザをはじめとするその他の任意のシングルモードまたはマルチモードレーザ装置を用いることができる。

レーザ光源装置１２は、ヘッド３０の筐体内に配置されて、移動機構４０により筐体とともに移動する場合もあり得るし、筐体の外に配置されて移動しない場合もあり得る。レーザ光源装置１２が移動しない場合には、光ファイバ１４により、レーザ光源装置１２及びヘッド３０の間の相対的な位置変化を吸収するようになっている。

レーザ光源装置１２から出射されたレーザ光は、光ファイバ１４を介して、光学系１６へ入射する。光学系１６は、例えば、光ファイバ１４からの出射光を平行光にするコリメートレンズ、コリメートレンズからのレーザ光を照射領域Ｓに集光する集光レンズ等を備える。これにより、レーザ光源装置１２から出射されたレーザ光は、光学系１６の集光レンズにより、照射領域Ｓに集光され、略円形スポットが形成される（Ｌで示す一点破線の矢印参照）。

＜供給部２０＞
供給部２０ついて更に詳細に述べれば、供給部２０は、吹出ノズル２２と、貯蔵部２６と、吹出ノズル２２及び貯蔵部２６の間を繋ぐ供給管２４とを備える。貯蔵部２６に貯蔵された金属粉末が、キャリアガスとともに、供給管２４内を流れて、供給部２０の吹出ノズル２２に流入する。吹出ノズル２２には、供給管２４と繋がったヘッド２２Ｂと、ヘッド２２Ｂに繋がった複数の流路２２Ａを備える。図１（ａ）の矢視Ａ－Ａ図である図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、略円形断面の８個の流路２２Ａが同心円状に配置されている。その内側の領域から、レーザ光が照射される。ただし、流路２２Ａの数は８に限られるものではなく、その他の任意の数の流路２２Ａを設けることができる。
更に、吹出ノズルとして、流路が円周状に繋がったテーパ状ノズルを用いることもできる。

キャリアガスとともに供給管２４からヘッド２２Ｂに流入した金属粉末は、各流路２２Ａ内を
流れて、流路２２Ａの出射口から照射領域Ｓに供給される（Ｐで示す破線の矢印参照）。キャリアガスとともに各流路２２Ａの出射口から流出した金属粉末が、照射領域Ｓに到達するように、流路２２Ａは同心円の中心側に向けて傾斜して配置されている。これにより、供給管２４からヘッド２２Ｂに流入した金属粉末Ｐは、各流路２２Ａ内を流れて、流路２２Ａの出射口から照射領域Ｓに供給される。
そして、照射領域Ｓに供給された金属粉末はレーザ光の照射により溶融して、金属の溶融池（メルトプール）が形成される。

金属粉末としては、ステンレス鋼、ニッケル基合金（インコネル（登録商標））、タングステンカーバイド複合材料、銅合金、真鍮、コバルトクロムモリブデン合金、ステライト、工具鋼をはじめとする任意の金属材料を用いることができる。粉末材料の粒径としては、５０～１５０μｍを例示できるが、これに限られるものではない。なお、被加工物６０として、任意の金属材料を用いることができる。
キャリアガスとして、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスを用いることが好ましい。更に、粉末材料を含むキャリアガスの外側に、不活性ガスからなるシールドガスを供給することもできる。これにより、レーザ積層における材料の酸化等を抑制することができる。また、レーザ光源装置１２側に粉末材料等が流入することを防ぐため、同心円状に配置された流路２２Ａの内側の領域から、シールドガスを吹き出すようにすることもできる。

貯蔵部２６は、ヘッド３０の筐体内に配置されて、筐体とともに移動機構４０により移動する場合も、筐体の外に配置されて移動しない場合もあり得る。貯蔵部２６が移動しない場合には、供給管２４の一部がホース等の移動、変形が可能な部材で構成され、貯蔵部２６及びヘッド３０の筐体の間の相対的な位置変化を吸収するようになっている。

＜移動機構４０＞
移動機構４０について更に詳細に述べれば、図１に示すように、被加工物６０をテーブルに固定し、移動機構４０のアクチュエータ４２により、ヘッド３０を図面水平方向（白抜き矢印参照）に移動させることができる。これにより、レーザ光Ｌと粉末材料Ｐを供給しながら被加工物６０に対して走査してレーザ積層を行うことができる。なお、逆に、ヘッド３０の位置を固定し、被加工物６０を取り付けたテーブルを、移動機構のアクチュエータにより、図面水平方向に移動させることもできる。また、ヘッド３０及び被加工物６０の両方を移動させることもできる。
本実施形態に係るレーザ積層造形装置２は、単独のレーザ積層造形装置の場合も、工作機械に組み込まれる場合もあり得る。工作機械に組み込まれる場合には、移動機構４０として工作機械の移動機構を用いることもできる。

照射部１０、供給部２０及び移動機構４０を制御する制御部７０については、レーザ積層造形方法の説明の後に、追って詳細に説明する。

（第１の実施形態に係るレーザ積層造形方法）
次に、図２及び図３を参照しながら、上記のレーザ積層造形装置２を用いて、被加工物６０の表面上に積層物５０を形成するレーザ積層造形方法の説明を行う。図２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ積層造形方法の積層工程を模式的に示す図である。図３は、本発明の第1の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を模式的に示す図である。

＜積層工程＞
はじめに、図２を参照しながら積層工程の説明を行う。積層工程では、照射部１０によるレーザ光Ｌの照射及び供給部２０による金属粉末Ｐの供給を行う状態で、移動機構４０によりヘッド３０を被加工物６０に対して移動させる。供給部２０により照射領域Ｓに供給された金属粉末は、レーザ光Ｌの照射により溶融して、被加工物６０上に溶融池（メルトプール）が形成される。ヘッド３０の移動により、溶融池（メルトプール）の位置が移動し、レーザ光Ｌが照射されなくなった領域の溶融金属は凝固して、被加工物６０の上に金属層が形成される。これにより、所定のストロークにおいて、金属を積層する処理が実施できる。

この金属を積層する処理を複数回行って、被加工物６０の上に複数層からなる金属の積層物５０を形成する積層工程を行うことができる。図２に示す実施形態では、白抜き矢印に示すように、所定のストロークだけ、ヘッド３０を被加工物６０に対して往復移動させることにより、複数層を形成している。

ただし、これに限られるものではなく、ヘッド３０を被加工物６０に対して一方向に複数回移動させて、複数層を形成することもできる。つまり、レーザ光Ｌの照射及び金属粉末Ｓの供給を行う状態で、ヘッド３０を一方向に移動させ、レーザ光Ｌの照射及び金属粉末Ｓの供給を行なわない状態で、ヘッド３０を反対の方向に移動させて、元の位置に戻す処理を繰り返す積層方法もあり得る。
また、１回の積層する処理におけるヘッド３０の被加工物６０に対する移動量を変化させて、ヘッド３０の移動開始地点、移動終了地点に対応する積層物５０の側面において、斜めになった側面（例えば、図５、図６参照）や、曲面状の側面を形成することもできる。

＜再溶融工程＞
次に、図３を参照しながら、再溶融工程の説明を行う。再溶融工程では、上記の積層工程で複数層の積層物５０を形成した後、照射部１０によるレーザ光Ｌの照射を行い、かつ供給部２０による金属粉末の供給を行なわない状態で、移動機構４０によりヘッド３０を被加工物６０に対して移動させる。これにより、積層物５０の表面にレーザ光Ｌを照射して、積層物５０を再溶融させる再溶融工程を実施できる。

本実施形態では、積層工程の後、再溶融工程を行う積層、再溶融プロセスを少なくとも１回実施して、被加工物６０の表面に造形物を形成する。最後の積層、再溶融プロセスを終了した時点の積層物５０が造形物となる。
具体的には、金属を積層する処理を１０回（例えば、所定のストロークを５往復）行って１０層の金属の積層物を形成する積層工程の後に、再溶融工程（例えば、所定のストロークを片道１回）を行う積層、再溶融プロセスを複数回繰り返して、数十層の造形物を形成する場合を例示することができる。なお、１回の積層工程で金属を積層する処理を繰り返す回数は、任意の回数を選択することができる。

再溶融工程は、積層工程終了後、速やかに開始されるが、積層工程で供給された金属粉末は、レーザ照射で溶融した後、凝固状態または少なくとも半凝固状態になっている。よって、金属が溶融した溶融池（メルトプール）が存在する状態で、再溶融工程におけるレーザ光の照射が開始されることはない。なお、再溶融工程は、積層物５０にレーザ光Ｌを1回（１ストロ－ク分）だけ照射する場合だけでなく、再溶融させる領域の深さに応じて、複数回（複数ストローク分）照射する場合もあり得る。

積層工程においては、異物の混入、噴射ガスの混入、酸化・窒化等の化学反応、加熱不足等により、空孔が生じる可能性がある。特に、積層物５０内部の結晶方位が乱れた領域で空孔が生じ易く、積層物５０の表面近傍により多くの空孔が生じる。よって、そのままでは、製品となる造形物の強度が低下し表面硬度も低下する問題が生じる。
本実施形態では、再溶融工程において、積層物５０にレーザ光Ｌを照射して再溶融するので、レーザ照射方向（照射されたレーザ光Ｌの光軸方向）に向かって温度勾配が生じる。この温度勾配に応じて再凝固することにより、金属組織を改質され、結晶方位の乱れを低減できる。特に、Ｎｉ基合金等においては、金属結晶がこの温度勾配方向に沿って成長するため、結晶方位の乱れを効果的に解消できる。
金属組織を改質することにより、空孔を低減することができ、造形物の強度、特に表面近傍における強度を向上させるとともに、表面硬度を向上させることができる。後述するように、面心立方構造を有する造形物においては、再溶融工程により、金属結晶の（２００）面をレーザ光Ｌが照射された積層物表面に向けることができるので、造形物の表面硬度を効果的に向上させることができる。

以上のように、本実施形態では、造形物内部の空孔を低減することにより、造形物の強度を向上させるとともに、造形物の表面硬度を向上させることができる。

再溶融工程で再溶融する領域の深さとしては、積層工程で形成された積層物５０の積層厚みの１／２以下であることが好ましい。このようにすることにより、積層物５０の表面近傍に多く存在する空孔を低減して、積層物５０の高密度化及び表面硬度の向上を実現するとともに、積層物全体として偏りのない金属結晶方位を備えることができるので、優れた強度や靭性を有する積層物５０、延いては造形物を形成できる。

更に、積層工程におけるレーザ光Ｌの照射出力及びヘッド３０の被加工物６０に対する移動速度と、再溶融工程におけるレーザ光Ｌの照射出力及びヘッド３０の被加工物６０に対する移動速度とを略一致させることが好ましい。レーザ光Ｌの照射出力及びヘッド３０の被加工物６０に対する移動速度を、積層工程及び再溶融工程で略一致させることにより、再溶融領域の積層物５０全体に対する割合を、比較的容易にかつ確実にコントロールすることができる。

＜積層工程及び再溶融工程における制御方法＞
上記の積層工程及び再溶融工程を実施するための、図１に示すレーザ積層造形装置２の制御部７０は、以下の制御ステップを実施する。
（１）積層ステップ
照射部１０及び供給部２０をオンにした状態で、移動機構４０を駆動する制御処理を複数回行う。これにより、ヘッド３０が被加工物６０に対して移動して積層が行なわれる処理が複数回行なわれて、被加工物６０の表面上に複数層からなる積層物が形成される。
（２）再溶融ステップ
上記の積層ステップの後、照射部１０をオンにし、かつ供給部２０をオフにした状態で移動機構４０を駆動する制御処理を行う。これにより、積層物５０の表面にレーザ光Ｌが照射されて再溶融処理を行うことができる。
（３）以上のような積層ステップ及び再溶融ステップを含む積層、再溶融制御処理を少なくとも１回実施する。

制御部７０が上記のような制御処理を実行することにより、強度及び表面硬度において優れた造形物を形成可能なレーザ積層造形装置２が実現される。

上記の実施形態では、再溶融工程において、レーザ光Ｌを照射する方向が積層工程における照射方向と同じである平面照射を示しておいるが、これに限られるものではなく、再溶融工程において、積層工程における照射方向と異なる方向からレーザ光Ｌを照射する場合もあり得る。それに関して、図４から図６を参照しながら詳細に説明する。

（第２の実施形態に係るレーザ積層造形方法）
始めに図４を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係るレーザ積層造形方法の説明を行う。図４は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を構成する（ａ）平面再溶融処理、及び（ｂ）側面再溶融処理を模式的に示す図である。
図４では、上記の実施形態と同様に、広面である上面５２、及び上面５２と略垂直な側面５４を有する積層物５０を再溶融する場合を示す。

図４（ａ）は、図３に示す場合と同様に、レーザ光Ｌを積層工程と同じ方向から照射する平面照射を行った平面再溶融処理を示す。これにより、積層物５０の上面５２に、レーザ光Ｌが上面５２の略法線方向から照射される。この平面再溶融処理により、上面５２近傍の強度及び表面硬度の向上が図れる。

図４（ｂ）は、レーザ光Ｌを積層工程の方向と略直交する方向から照射する側面照射を行った側面再溶融処理を示す。レーザ光Ｌを積層物５０の側面５４に照射する側面照射において、側面５４の略法線方向からレーザ光を照射することが好ましい。この側面溶融処理により、側面５４近傍の強度及び表面硬度を向上させることができる。
以上のように、第２の実施形態に係るレーザ積層造形方法により、上面だけでなく側面においても、強度及び表面硬度を向上させることができる。例えば、造形物が上面及び側面を稼働面とする工具チップの場合、強度及び表面硬度において優れた稼働面を有する工具チップを提供することができる。

（第３の実施形態に係るレーザ積層造形方法）
次に、図５を参照しながら、本発明の第３の実施形態に係るレーザ積層造形方法の説明を行う。図５は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を構成する（ａ）平面再溶融処理、及び（ｂ）傾斜面再溶融処理を模式的に示す図である。
図５では、広面である上面５２、及び上面５２に対して角度θだけ傾斜した傾斜面５６を有する積層物５０を再溶融する場合を示す。

図５（ａ）は、レーザ光Ｌを積層工程と同じ方向から照射する平面照射を行った平面再溶融処理を示す。これにより、積層物５０の上面５２にレーザ光Ｌが被照射面の略法線方向から照射される。この平面再溶融処理により、上面５２近傍の強度及び表面硬度を向上させることができる。

図５（ｂ）は、レーザ光Ｌを積層工程の方向と角度θだけ傾斜した方向から照射する傾斜面照射を行った傾斜面再溶融処理を示す。レーザ光Ｌを積層物５０の傾斜面５６に照射する傾斜面照射において、傾斜面５６の略法線方向からレーザ光を照射することが好ましい。この傾斜面溶融処理により、傾斜面５６近傍の強度及び表面硬度を向上させることができる。

以上のように、第３の実施形態に係るレーザ積層造形方法では、積層工程におけるレーザ光の照射方向及び再溶融工程におけるレーザ光の照射方向が、角度θをなすようにレーザ光を照射することができる。よって、造形物の稼働面の位置や形状に合わせて、再溶融工程におけるレーザ光の照射方向を変えることができるので、造形物の稼働面近傍の強度や表面硬度を効果的に向上させることができる。例えば、造形物が上面及び傾斜面を稼働面とする工具チップの場合、強度及び表面硬度において優れた稼働面を有する工具チップを提供することができる。
なお、傾斜角θが９０度の場合が、図４に示す第２の実施形態に該当するということもできる。

（第４の実施形態に係るレーザ積層造形方法）
次に、図６を参照しながら、本発明の第４の実施形態に係るレーザ積層造形方法の説明を行う。図６は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ積層造形方法の再溶融工程を模式的に示す図である。
図６では、広面である上面５２の両側に、上面５２に対して角度θだけ傾斜した傾斜面５６Ａ及び傾斜面５６Ｂを有する積層物５０を再溶融する場合を示す。

図６に模式的に示すように、本実施形態では、再溶融工程において、レーザ光Ｌの照射方向を変化させながらヘッド３０を被加工物に対して移動させるようになっている。図面左側の傾斜面５６Ａをレーザ光Ｌで照射する場合には、積層工程に比べて、ノズル２２を角度θだけ傾斜させて、レーザ光Ｌを傾斜面５６Ａの略法線方向から照射する。ヘッド３０が更に移動して、図面中央の上面５２を照射する場合には、ノズル２２を積層工程と同じ方向に戻して、レーザ光Ｌを上面５２の略法線方向から照射する。ヘッド３０が更に移動して、図面右側の傾斜面５６Ｂを照射する場合には、ノズル２２を角度θだけ反対側に傾斜させて、レーザ光Ｌを傾斜面５６Ｂの略法線方向から照射する。

このように、積層物５０の表面の向きや表面形状に合わせて、レーザ光Ｌの照射方向を変化させながらヘッド３０を移動させることにより、各領域で最適な温度勾配を有する再溶融を実現できる。例えば、レーザ積層造形装置２を工作機械内に配置する場合には、工作機械の移動、回転機構を利用することにより、レーザ光Ｌの照射方向を変化させながらヘッド３０を移動させる動きを、比較的容易にかつ正確に実現することができる。

以上のように、再溶融工程において、形成する造形物の稼働面側の積層物５０の面に、その法線方向からレーザ光Ｌを照射することにより、造形物の稼働面近傍の強度や稼働面の表面硬度を効果的に向上させることができる。

（実施例）
実際に上記の積層工程及び再溶融工程を実施して、被加工物の表面に造形物を形成して試験した結果を以下に詳細に述べる。なお、本実施例では、吹出ノズルとして、流路が円周状に繋がったテーパ状ノズルを用いた。

＜空孔率低減試験＞
始めに、再溶融処理が造形物内部の空孔に与える影響を試験的に評価する空孔率低減試験を行った。空孔率低減試験では、積層工程で１０層の積層物を形成するごとに再溶融工程を行う積層、再溶融プロセスを３回、５回及び７回繰り返して、３０層、５０層及び７０層の造形物を実施例として形成した。更に、再溶融工程を行なわずに積層工程だけで、３０層、５０層及び７０層の造形物を比較例として形成した。
空孔率低減試験における積層工程の条件及び再溶融工程の条件を下表に示す。

［表１］ 積層工程の条件

［表２］再溶融工程の条件

本試験においては、積層工程におけるレーザ光の照射出力及びヘッドの被加工物に対する移動速度と、再溶融工程におけるレーザ光の照射出力及びヘッドの被加工物に対する移動速度とが一致している。このようにして得られた実施例及び比較例について、アブレシブジェット加工機により切断し、その断面を粒子径１μｍのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨した。その後、光学顕微鏡により造形物断面画像を得た。この造形物断面画像を二値化し、総ピクセル数に対する黒色ピクセル数の比を空孔率として算出した。これにより得られた「再溶融工程を実施した場合と実施しない場合における造形物の空孔率を比較して示したグラフ」を図７に示す。

図７から明らかなように、３０層、５０層及び７０層の何れの場合においても、１０ 層ごとに再溶融処理を行うことにより、空孔率が低減されることが確認できた。 特に、７０ 層の造形物では、６０％の空孔率低減を達成した。多層造形物の上層近傍における結晶方位の乱れによって、多くの微小空孔が生じるが、再溶融することにより、この微小空孔が低減できたと考えられる。
以上のように、積層工程に加えて再溶融工程を実施する本発明に係るレーザ積層造形方法によって、結晶方位の乱れを解消することにより、空孔を低減することができ、造形物の表面近傍における強度を向上させることができることが実証できた。

＜結晶方位制御試験＞
次に、再溶融処理が結晶方位及び表面硬さに与える影響を試験的に評価する結晶方位制御試験を行った。結晶方位制御試験における積層工程の条件及び再溶融工程の条件を下表に示す。

［表３］ 積層工程の条件

［表４］再溶融工程の条件

本試験のため、図８に示すような手順で、側面再溶融処理を行った。図８は、結晶方位制御試験のための側面再溶融処理の手順を模式的に示す斜視図である。
図８（ａ）に示すように、積層物をジグに固定し、ステージを９０度回転さて水平から垂直にする。次に、図８（ｂ）に示すように、一方の側面の1 ラインにレーザ光を照射して再溶融処理を行い、ステージを１８０度回転させて、反対の側面の1 ラインにもレーザ光を照射して再溶融を行う。次に、図８（ｂ）に示すＹ方向に、レーザヘッド３ｍｍ移動させる。以上のような両側面のレーザ光照射を、両側面全体に再溶融処理が行われるまで繰り返す。

上記の手順で両側面に再溶融が施された造形物に対し、エッチング及び薄膜Ｘ線解析 を用いて、結晶方位を評価した。その後、再溶融した側面に対し、ビッカース硬さ試験を行った。

図９は、図８に示すような手順で側面再溶融処理を施した造形物の結晶方位の変化を示す断面エッチング画像である。図９から明らかなように、再溶融されていない領域では結晶の成長方向が縦向きである。一方で，再溶融された領域では成長方向をレーザ照射方向に変化させることができることが実証された。

図１０は、インコネル６２５（ニッケル基合金の製品名）からなる面心立方構造を有する造形物における側面再溶融処理による結晶方位の変化を表す薄膜Ｘ線解析結果を示すグラフである。図１０から明らかなように、両側面にレーザ光を照射して再溶融することにより、（１１１）面及び（２２０）面が減少し、（２００）面が造形物表面に向いていることが確認できた。金属結晶は温度勾配方向に成長するため、再溶融を行うことで、レーザ照射点の方向に向かって温度勾配が生じ、結晶方位が変化したためだと考えられる。

図１１は、側面再溶融処理による表面硬度の変化を示すグラフである。このグラフでは、３サンプルの各地点における平均値を表す。側面再溶融処理により、造形物表面のビッカース硬さを最大で１７％向上することができた。これは、再溶融を行うことで、優れた物性を持つ(200)面を造形物表面に向かせたためだと考えられる。
以上のように、造形物の両側面に再溶融処理を行い、結晶方位を造形物表面に向かせたことにより、表面硬さの向上が実現できることが実証された。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ レーザ積層造形装置
１０ 照射部
１２ レーザ光源装置
１４ 光ファイバ
１６ 光学系
２０ 供給部
２２ 吹出ノズル
２２Ａ 流路
２２Ｂ ヘッド
２４ 供給管
２６ 貯蔵部
３０ ヘッド
４０ 移動機構
４２ アクチュエータ
５０ 積層物
５２ 上面
５４ 側面
５６、５６Ａ、５６Ｂ 傾斜面
６０ 被加工物
７０ 制御部
Ｓ 照射領域
Ｌ レーザ光
Ｐ 金属粉末

Claims (7)

1. レーザ光を照射領域に照射する照射部及び前記照射領域に金属粉末を供給する供給部を有するヘッドと、前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、を備えたレーザ積層造形装置を用いて、被加工物の表面に造形物を形成する方法であって、
   レーザ光の照射及び金属粉末の供給を行う状態で、前記ヘッドを前記被加工物に対して移動させて積層する処理を複数回行って、前記被加工物の上に複数層からなる積層物を形成する積層工程と、
   前記積層工程の後、レーザ光の照射を行い金属粉末の供給を行なわない状態で、前記ヘッドを前記被加工物に対して移動させて、前記積層物の表面にレーザ光を照射して再溶融させる再溶融工程と、
   を含む積層、再溶融プロセスを少なくとも１回実施して前記造形物を形成し、
   前記積層工程において、ニッケル基合金からなる面心立方構造を有する前記積層物が形成され、
   前記再溶融工程において、前記積層工程で形成された前記積層物の結晶の成長方向と交わる方向から前記積層物の表面にレーザ光を照射して、結晶の成長方向をレーザ照射方向に変化させることを特徴とするレーザ積層造形方法。
2. 前記再溶融工程で再溶融する領域の深さが、前記積層工程で形成された前記積層物の積層厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ積層造形方法。
3. 前記積層工程におけるレーザ光の照射出力及び前記ヘッドの前記被加工物に対する移動速度と、前記再溶融工程におけるレーザ光の照射出力及び前記ヘッドの前記被加工物に対する移動速度とが一致することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ積層造形方法。
4. 前記積層工程におけるレーザ光の照射方向と、前記再溶融工程におけるレーザ光の照射方向が角度θをなすことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のレーザ積層造形方法。
5. 前記造形物が工具チップであって、前記再溶融工程において、形成する前記造形物の稼働面側の積層物の面に、その法線方向からレーザ光を照射することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のレーザ積層造形方法。
6. 前記再溶融工程において、レーザ光の照射方向を変化させながら前記ヘッドを被加工物に対して移動させることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のレーザ積層造形方法。
7. レーザ光を照射領域に照射する照射部及び前記照射領域に金属粉末を供給する供給部を有するヘッドと、
   前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、
   前記照射部、前記供給部及び前記移動機構を制御する制御部と、
   を備えた、被加工物の表面に造形物を形成する装置であって、
   前記制御部が、
   前記照射部及び前記供給部をオンにした状態で前記移動機構を駆動する制御処理を複数回行うことにより、前記ヘッドが前記被加工物に対して移動して積層が行なわれる処理が複数回行なわれて、前記被加工物の上に複数層からなる積層物が形成される積層ステップと、
   前記積層ステップの後、前記照射部をオンにし、前記供給部をオフにした状態で前記移動機構を駆動することにより、前記積層物の表面にレーザ光が照射されて再溶融が生じる再溶融ステップと、
   を含む積層、再溶融制御処理を少なくとも１回実施し、
   前記積層ステップにおいて、ニッケル基合金からなる面心立方構造を有する前記積層物が形成され、
   前記再溶融ステップにおいて、前記積層ステップで形成された前記積層物の結晶の成長方向と交わる方向から前記積層物の表面にレーザ光が照射され、結晶の成長方向をレーザ照射方向に変化させることを特徴とするレーザ積層造形装置。

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