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JP7558527B2 - Gas for metal additive manufacturing and method for manufacturing metal laminated structure - Google Patents

Gas for metal additive manufacturing and method for manufacturing metal laminated structure Download PDF

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JP7558527B2 JP2020170816A JP2020170816A JP7558527B2 JP 7558527 B2 JP7558527 B2 JP 7558527B2 JP 2020170816 A JP2020170816 A JP 2020170816A JP 2020170816 A JP2020170816 A JP 2020170816A JP 7558527 B2 JP7558527 B2 JP 7558527B2
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Description

本発明は、金属積層造形用ガスおよび金属積層構造物の製造方法に関する。 The present invention relates to a gas for metal additive manufacturing and a method for manufacturing metal additive structures.

金属粉末を材料として積層構造物を作製することが公知である。この製造方法は、金属積層造形等と称される。また、金属積層造形の際に、シールドガスを用いることが知られている(たとえば特許文献1参照)。 It is known to create layered structures using metal powder as a material. This manufacturing method is called metal additive manufacturing. It is also known to use a shielding gas during metal additive manufacturing (see, for example, Patent Document 1).

特開2018-184634号公報JP 2018-184634 A

樹脂の粉末を材料とする積層造形は、実用的な方法、条件およびコストが実現されつつある。一方、金属粉末を材料とする積層造形では、造形速度や作製される構造物の物性等においてさらなる向上が望まれている。そこで、金属積層造形を速く確実に実施できること、そのために用いるガスおよび製造方法を提供することを課題とする。 Additive manufacturing using resin powder as the material is gradually becoming practical in terms of methods, conditions, and costs. On the other hand, in additive manufacturing using metal powder as the material, further improvements are desired in terms of the manufacturing speed and the physical properties of the structures produced. Therefore, the objective of this study is to provide a method for quickly and reliably performing metal additive manufacturing, and to provide a gas and manufacturing method to be used for this purpose.

本開示に従った金属積層造形用ガスは、レーザ溶融法による金属粉体の積層造形において用いられるシールドガスであって、2体積%以上20体積%以下の水素ガスと、80体積%以上98%体積以下の不活性ガスと、を含有する。 The metal additive manufacturing gas according to the present disclosure is a shielding gas used in additive manufacturing of metal powder by the laser melting method, and contains 2% to 20% by volume of hydrogen gas and 80% to 98% by volume of an inert gas.

本開示に従った金属積層構造物の製造方法は、金属粉体を準備する工程と、金属積層造形装置において、シールドガスの存在下で前記金属粉体にレーザ光を照射し、金属粉体を溶融させる工程と、を含み、シールドガスは前述のシールドガスである。 The method for manufacturing a metal laminate structure according to the present disclosure includes the steps of preparing metal powder and irradiating the metal powder with laser light in the presence of a shielding gas in a metal additive manufacturing device to melt the metal powder, the shielding gas being the aforementioned shielding gas.

上記シールドガスおよび上記製造方法によれば、金属積層造形を速く、確実に実施できる。 The above shielding gas and manufacturing method allow metal additive manufacturing to be carried out quickly and reliably.

図1は、本開示における金属積層構造物の製造方法の一例を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a metal laminate structure according to the present disclosure. 図2は、金属積層造形装置の一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a metal additive manufacturing apparatus. 図3は、金属溶融試験装置を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a metal melting test device. 図4は、金属溶融試験装置のチャンバーを示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a chamber of a metal melting test device. 図5は、レーザ照射による金属溶融時のスパッタ飛散の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of sputter scattering during metal melting by laser irradiation. 図6は、レーザ照射による金属の溶融状態を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the molten state of a metal due to laser irradiation. 図7は、金属溶融試験で得られた金属凝固物の断面の例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a cross section of a metal solidified product obtained in a metal melting test. 図8は、金属積層構造物の断面の例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a cross section of a metal laminate structure. 図9は、レーザ走査速度と金属積層構造物の相対密度の関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the laser scanning speed and the relative density of the metal laminate structure.

[実施形態の概要]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示のシールドガスは、レーザ溶融法による金属粉体の積層造形において用いられるシールドガスであって、2体積%以上20体積%以下の水素ガスと、80体積%以上98%体積以下の不活性ガスと、を含有する。
[Overview of the embodiment]
First, the embodiments of the present disclosure will be described below. The shielding gas of the present disclosure is a shielding gas used in additive manufacturing of metal powder by a laser melting method, and contains 2% by volume or more and 20% by volume or less of hydrogen gas and 80% by volume or more and 98% by volume or less of an inert gas.

従来、金属積層造形方法の1つとして、レーザ溶融法が知られている。レーザ溶融法の1つであるSLM(Selective Laser Melting)法は、造形装置のステージ上に載置された金属粉体にレーザ光を照射して金属粉体を溶融させ、次いで凝固させることによって金属層を形成し、これを繰り返すことによって金属積層構造物を作製する方法である。また、SLM法において、造形チャンバー内にシールドガスを導入し、シールドガス雰囲気下で金属層を形成させることが公知である。シールドガスは、造形チャンバー内から酸素を排除することを主な目的として使用されている。造形チャンバー内に酸素が存在すると、金属粉体の酸化等の意図しない反応が生じることがあるためである。シールドガスとして、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いることが知られている。 Conventionally, the laser melting method is known as one of the metal additive manufacturing methods. The selective laser melting (SLM) method, which is one of the laser melting methods, is a method in which a metal powder placed on the stage of a modeling device is irradiated with a laser beam to melt the metal powder, which is then solidified to form a metal layer, and this process is repeated to produce a metal laminate structure. It is also known that in the SLM method, a shielding gas is introduced into the modeling chamber and a metal layer is formed in a shielding gas atmosphere. The shielding gas is used mainly for the purpose of excluding oxygen from the modeling chamber. This is because the presence of oxygen in the modeling chamber can cause unintended reactions such as oxidation of the metal powder. It is known to use an inert gas such as nitrogen or argon as the shielding gas.

一方で、SLM法によって得られる金属積層構造物は、機械的強度や密度等の物性において、また製造効率において、さらなる向上が望まれていた。この課題に対して、本発明者らは、不活性ガスに加えて水素を特定の割合で含有するシールドガスを用いることによって、レーザ光によって溶融した金属粉末の連続性が良好で、また、凝固状態も良好な金属層が得られることを見出した。さらに発明者らは、前記のシールドガスによれば、積層速度を大きくした場合でも積層構造物の密度の低下が少なく、良好な物性の積層構造物が得られることを見出した。特定の理論に拘束されるものではないが、金属粉体にレーザ光を照射する時に、金属粉体の近傍に存在するシールドガスがプラズマ化されること、また、プラズマ化のために消費されるエネルギーがシールドガスの組成によって異なることが、本発明の効果と関連すると考えられている。本開示のシールドガスによれば、良好な溶融状態の金属溶融物を得ることができ、また、高速で積層を行う場合にも積層構造物の密度の低下が少ない。 On the other hand, further improvements in the physical properties such as mechanical strength and density, and in the manufacturing efficiency, of the metal laminated structure obtained by the SLM method have been desired. In response to this problem, the inventors have found that by using a shielding gas containing a specific ratio of hydrogen in addition to an inert gas, the continuity of the metal powder melted by the laser light is good, and a metal layer with a good solidification state is obtained. Furthermore, the inventors have found that, with the above-mentioned shielding gas, even when the stacking speed is increased, the density of the stacked structure is not reduced much, and a stacked structure with good physical properties is obtained. Although not bound by a specific theory, it is believed that the effect of the present invention is related to the fact that the shielding gas present in the vicinity of the metal powder is turned into plasma when the metal powder is irradiated with laser light, and that the energy consumed for the plasma generation differs depending on the composition of the shielding gas. With the shielding gas disclosed herein, a metal melt in a good molten state can be obtained, and even when stacking is performed at a high speed, the density of the stacked structure is not reduced much.

不活性ガスは、アルゴンガスであってもよい。金属積層造形において、シールドガスの種類金属溶融時の温度や金属粉体の組成(含有元素)によっては、意図しない金属化合物が形成されることがある。これに対して、不活性ガスがアルゴンである場合、意図しない金属化合物が生成されるおそれが少なく、幅広い条件で安定的に金属積層体を製造できる。また、シールドガスは、水素ガスと不活性ガスからなるものであってもよい。但し、不可避の不純物成分を含むことを妨げない。シールドガスが水素ガスと不活性ガスからなる場合、金属粉末における意図しない反応が抑制され、安定に積層構造物を得られる。 The inert gas may be argon gas. In metal additive manufacturing, unintended metal compounds may be formed depending on the type of shielding gas, the temperature during metal melting, and the composition (elements contained) of the metal powder. In contrast, when the inert gas is argon, there is little risk of unintended metal compounds being generated, and metal laminates can be stably manufactured under a wide range of conditions. The shielding gas may also be composed of hydrogen gas and an inert gas. However, this does not prevent the gas from containing unavoidable impurity components. When the shielding gas is composed of hydrogen gas and an inert gas, unintended reactions in the metal powder are suppressed, and a laminate structure can be stably obtained.

また本開示の製造方法は、金属粉体を準備する工程と、金属積層造形装置において、シールドガスの存在下で前記金属粉体にレーザ光を照射し、前記金属粉体を溶融させる工程と、を含み、シールドガスが、前記のシールドガスである。本開示の製造方法によれば、良好な溶融状態の金属を得ることができ、固化後の緻密性が高く、また、高速で積層を行う場合でも高い密度を有する金属積層構造物が得られる。 The manufacturing method disclosed herein also includes a step of preparing metal powder, and a step of irradiating the metal powder with laser light in the presence of a shielding gas in a metal additive manufacturing device to melt the metal powder, the shielding gas being the above-mentioned shielding gas. According to the manufacturing method disclosed herein, it is possible to obtain metal in a good molten state, and a metal laminated structure having high density after solidification and high density even when lamination is performed at high speed can be obtained.

金属粉体はニッケル合金またはステンレス鋼であってもよい。ニッケル合金またはステンレス鋼は、レーザ吸収性を有するためレーザで溶融が可能であり、また、過大なエネルギーを必要することなく溶融可能であるという点で好ましい。コストメリットを考慮すると、ニッケル合金がとりわけ好ましい。 The metal powder may be a nickel alloy or stainless steel. Nickel alloys and stainless steel are preferable because they are laser absorbent and can be melted by a laser, and can be melted without requiring excessive energy. Considering the cost benefits, nickel alloys are particularly preferable.

[実施形態の具体例]
以下に、本開示のシールドガスないし製造方法の一例を説明する。
[シールドガス]
本開示におけるシールドガスは、レーザ溶融法による金属粉体の積層造形において用いられるシールドガスである。本開示のシールドガスは、2体積%以上20体積%以下の水素ガスと、80体積%以上98%体積以下の不活性ガスと、を含有する。不活性ガスに含有される水素ガスの割合が2体積%以上20体積%以下であるとき、レーザ照射による金属の溶融状態が良好で、凝固した際の割れが少なく、良好な性状の金属層が得られる。水素ガスの割合は、3体積%以上19体積%以下であることがより好ましく、7体積%以上18体積%以下であることがさらに好ましい。
[Specific Example of the Embodiment]
An example of the shielding gas and manufacturing method of the present disclosure will be described below.
[Shielding gas]
The shielding gas in the present disclosure is a shielding gas used in additive manufacturing of metal powder by the laser melting method. The shielding gas in the present disclosure contains 2% by volume or more and 20% by volume or less of hydrogen gas and 80% by volume or more and 98% by volume or less of inert gas. When the ratio of hydrogen gas contained in the inert gas is 2% by volume or more and 20% by volume or less, the molten state of the metal by laser irradiation is good, there are few cracks when solidified, and a metal layer with good properties is obtained. The ratio of hydrogen gas is more preferably 3% by volume or more and 19% by volume or less, and even more preferably 7% by volume or more and 18% by volume or less.

従来、シールドガスとして、空気に対して熱伝導度の高いガスである水素やヘリウムを用いて生産性を向上させる提案があった(例えば特許文献1)。この提案では、シールドガスとして100%水素ないしヘリウムを用いる検討がされている。これに対して本開示は、不活性ガスに対して水素を一定範囲の濃度で含むシールドガスを用いた時に、レーザ光によって溶融される金属の溶融固化の状態が良好になることを見出している。 In the past, there have been proposals to improve productivity by using hydrogen or helium as a shielding gas, which has a higher thermal conductivity than air (for example, Patent Document 1). In this proposal, the use of 100% hydrogen or helium as a shielding gas is considered. In contrast, this disclosure has found that when a shielding gas containing hydrogen at a certain concentration range is used in comparison with an inert gas, the melting and solidification state of the metal melted by the laser light is improved.

本開示のシールドガスにおいて、不活性ガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス等を用いることができる。不活性ガスは、1種類のガスでもよく、2種以上が組み合わされてもよい。不活性ガスとして、アルゴンガスを用いることが好ましい。不活性ガスは、シールドガス中に80体積%以上98%体積以下の割合で含まれる。不活性ガスの割合は、81体積%以上97体積%以下であることがより好ましく、82体積%以上93体積%以下であることがさらに好ましい。 In the shielding gas of the present disclosure, the inert gas may be helium gas, argon gas, nitrogen gas, or the like. The inert gas may be one type of gas or a combination of two or more types. It is preferable to use argon gas as the inert gas. The inert gas is contained in the shielding gas at a volume ratio of 80% to 98% by volume. The ratio of the inert gas is more preferably 81% to 97% by volume, and even more preferably 82% to 93% by volume.

本開示のシールドガスにおいて、不活性ガスおよび水素ガスの含有割合の和は、シールドガスに対して95体積%以上であれば好ましく、97体積%以上であればより好ましく、100体積%であることがさらに好ましい。発明の効果を有する限りにおいて、不活性ガスおよび水素ガス以外の成分を含んでもよい。また、微量の不可避不純物成分を含んでもよい。 In the shielding gas of the present disclosure, the sum of the content ratios of the inert gas and the hydrogen gas is preferably 95% by volume or more, more preferably 97% by volume or more, and even more preferably 100% by volume, relative to the shielding gas. As long as the effect of the invention is achieved, the shielding gas may contain components other than the inert gas and the hydrogen gas. Also, it may contain trace amounts of unavoidable impurity components.

[製造装置]
図2に、本開示の製造方法のために使用される金属積層造形装置の一例の模式図を示す。図2は、金属積層構造物の造形装置の構成の一例を示す模式図である。図2に示すように、造形装置は、レーザ照射源1と、反射板2と、造形チャンバー3と、ステージ4と、シールドガス供給源5と、循環路6と、循環装置7と、を備える。シールドガス供給源5と造形チャンバー3とは、管路L1で接続されている。造形チャンバー3には、管路L2が接続している。シールドガスは、ガス供給源5から管路L1を介して造形チャンバー3に供給される。造形チャンバー3は密閉可能であり、造形チャンバー3の内部はシールドガスで充填されうる。また、充填されたシールドガスは、循環路6および循環装置7を通って循環しうる。さらに、余剰のシールドガスは管路L2から排出されうる。
[Manufacturing equipment]
FIG. 2 is a schematic diagram of an example of a metal additive manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the present disclosure. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a metal additive manufacturing apparatus for a metal laminate structure. As shown in FIG. 2, the manufacturing apparatus includes a laser irradiation source 1, a reflector 2, a manufacturing chamber 3, a stage 4, a shielding gas supply source 5, a circulation path 6, and a circulation device 7. The shielding gas supply source 5 and the manufacturing chamber 3 are connected by a pipe L1. The manufacturing chamber 3 is connected to a pipe L2. The shielding gas is supplied from the gas supply source 5 to the manufacturing chamber 3 through the pipe L1. The manufacturing chamber 3 can be sealed, and the inside of the manufacturing chamber 3 can be filled with the shielding gas. In addition, the filled shielding gas can be circulated through the circulation path 6 and the circulation device 7. Furthermore, excess shielding gas can be discharged from the pipe L2.

ステージ4は、造形チャンバー3の内部に備えられる。ステージ4は、上下方向に昇降可能である。ステージ4に、材料供給機構(不図示)から原料である金属粉体が供給される。レーザ照射源1から出射されるレーザ光は、反射板2によって屈折され、ステージ4上の金属粉体に照射される。反射板2は、その向きおよび角度が可変である。反射板2は、予め設定されたプログラムその他の制御機構によって制御される。反射板2の向きおよび角度が変化することによって、ステージ4上に載置される金属粉体の所定の位置にレーザ光が照射される。 The stage 4 is provided inside the modeling chamber 3. The stage 4 can be raised and lowered in the vertical direction. Metal powder, which is the raw material, is supplied to the stage 4 from a material supply mechanism (not shown). The laser light emitted from the laser irradiation source 1 is refracted by the reflector 2 and irradiated onto the metal powder on the stage 4. The direction and angle of the reflector 2 are variable. The reflector 2 is controlled by a preset program or other control mechanism. By changing the direction and angle of the reflector 2, the laser light is irradiated onto a predetermined position of the metal powder placed on the stage 4.

シールドガス供給源5は、管路L1を介して造形チャンバー3と接続されている。シールドガス供給源5は、予め所定の割合で混合された混合ガスであるシールドガスを供給する形態にできる。また、別の形態として、シールドガス供給源5は、水素ガスを供給する管路と、不活性ガスを供給する管路と、それらを合流する管路と、を含んでもよい。 The shielding gas supply source 5 is connected to the forming chamber 3 via a pipeline L1. The shielding gas supply source 5 can be configured to supply a shielding gas that is a mixed gas that is mixed in advance at a predetermined ratio. In another embodiment, the shielding gas supply source 5 may include a pipeline for supplying hydrogen gas, a pipeline for supplying an inert gas, and a pipeline for joining the pipelines.

[製造方法]
図1は、本開示に従う製造方法の流れを示す。本開示の製造方法は、金属粉体を準備する工程(S10)と、金属積層造形装置において、シールドガスの存在下で前記金属粉体にレーザ光を照射し、前記金属粉体を溶融させる工程(S20)と、を含む。シールドガスとして、前述した水素ガスと不活性ガスとを含有するシールドガスを用いる。
[Production method]
1 shows a flow of a manufacturing method according to the present disclosure. The manufacturing method according to the present disclosure includes a step (S10) of preparing a metal powder, and a step (S20) of irradiating the metal powder with a laser beam in the presence of a shielding gas in a metal additive manufacturing apparatus to melt the metal powder. As the shielding gas, the above-mentioned shielding gas containing hydrogen gas and an inert gas is used.

本開示の製造方法に供する金属粉体としては、発明の効果を有する限り特に制限されないが、例えばニッケル合金またはステンレス鋼の粉体を好ましく用いることができる。具体的には例えば、インコネル718、インコネル626、SUS316、SUS316L、SUS304、SUS304L、ハステロイC276を例示できる。 The metal powder used in the manufacturing method of the present disclosure is not particularly limited as long as it has the effect of the invention, but for example, nickel alloy or stainless steel powder can be preferably used. Specific examples include Inconel 718, Inconel 626, SUS316, SUS316L, SUS304, SUS304L, and Hastelloy C276.

金属粉体の粒径は、発明の効果を有する限り特に制限されないが、例えば、粒径の中心値が30μm~80μmである金属粉体を用いることができ、60μm以下であれば好ましく、30μm~60μmであればより好ましい。また、金属粉体は、ガスアトマイズ法で製造された球形あるいは球形に近い形状を有することが好ましい。 The particle size of the metal powder is not particularly limited as long as it has the effect of the invention, but for example, metal powder with a median particle size of 30 μm to 80 μm can be used, preferably 60 μm or less, and more preferably 30 μm to 60 μm. In addition, it is preferable that the metal powder has a spherical or nearly spherical shape produced by gas atomization.

1つの実施形態において、金属積層構造物の原料となる金属粉体は、造形装置の造形チャンバー3の内部に備えられる材料供給機構のタンク(不図示)に収容される。ステージ4は、タンク内に嵌め込まれており、タンク内で上下に昇降する。金属粉体の準備工程S10において、タンクに充填された金属粉体の中でステージ4が昇降することによって、ステージ4の上に所定量の金属粉体が供給される。なお、金属粉体の準備工程はこのような形態に限られない。例えば、ステージ4の上方に材料供給機構が備えられていてもよい。この場合、材料供給機構からステージ4上に所定量の金属粉体が散布され、次いでステージ4上に散布された金属粉体が所定の厚みとなるように均一化されてもよい。 In one embodiment, the metal powder that is the raw material for the metal laminate structure is stored in a tank (not shown) of a material supply mechanism provided inside the modeling chamber 3 of the modeling device. The stage 4 is fitted in the tank and moves up and down within the tank. In the metal powder preparation step S10, the stage 4 moves up and down within the metal powder filled in the tank, thereby supplying a predetermined amount of metal powder onto the stage 4. Note that the metal powder preparation step is not limited to this form. For example, a material supply mechanism may be provided above the stage 4. In this case, a predetermined amount of metal powder may be sprayed onto the stage 4 from the material supply mechanism, and then the metal powder sprayed onto the stage 4 may be homogenized to a predetermined thickness.

積層造形に先立って、造形チャンバー3内をシールドガスで満たす。具体的には例えば、真空ポンプを用いて、造形チャンバー3を真空(例えば1.5×10-2Pa以下)まで排気し、次いで、シールドガスでパージする。パージを実施した後、積層造形の終了まで連続的あるいは間欠的に、シールドガスを5L/min~10L/min程度、造形チャンバー3内で循環させることが好ましい。なお、本実施の形態においては、シールドガスの流量を前記の範囲とできるが、シールドガスの流量はこの範囲に制限されない。シールドガスの流量は、使用する装置、造形チャンバーの大きさやシールドガスに求められる機能等に応じて適宜選択できる。例えば、シールドガスの流れを利用して、レーザ照射による金属粉体の溶融時に発生する金属ヒュームや、金属酸化物由来の酸素を除去する場合もある。シールドガスの流量は、例えば、1L/min~400L/minの間で選択できる。 Prior to the additive manufacturing, the inside of the molding chamber 3 is filled with a shielding gas. Specifically, for example, the molding chamber 3 is evacuated to a vacuum (for example, 1.5×10 −2 Pa or less) using a vacuum pump, and then purged with the shielding gas. After purging, it is preferable to circulate the shielding gas at about 5 L/min to 10 L/min in the molding chamber 3 continuously or intermittently until the end of the additive manufacturing. In this embodiment, the flow rate of the shielding gas can be set to the above range, but the flow rate of the shielding gas is not limited to this range. The flow rate of the shielding gas can be appropriately selected depending on the device used, the size of the molding chamber, the function required of the shielding gas, and the like. For example, the flow of the shielding gas may be used to remove metal fumes generated when melting metal powder by laser irradiation, and oxygen derived from metal oxides. The flow rate of the shielding gas can be selected, for example, between 1 L/min and 400 L/min.

次いで、ステージ4上の金属粉体にレーザ光を照射する。レーザ光の強度は特に制限されないが、例えば、50W~500Wのレーザ光を照射することができる。同時に、反射板2を動かすことによって、レーザ光の照射位置を移動させる。作製しようとする構造物の平面構造に応じてレーザ光の照射位置を制御することによって、所望の形状を有する金属層を得る。また別の態様として、レーザ照射位置を固定し、ステージを移動させることによって、ステージ4上の金属粉体の異なる位置に順次レーザ光が当たるようにしてもよい。レーザ光の移動速度(走査速度)は、本発明の効果が得られる限り特に制限されないが、例えば、0.1~5000mm/sとすることができ、100~360mm/sであればより好ましい。 Then, the metal powder on the stage 4 is irradiated with a laser beam. The intensity of the laser beam is not particularly limited, but for example, a laser beam of 50 W to 500 W can be irradiated. At the same time, the reflector 2 is moved to move the irradiation position of the laser beam. By controlling the irradiation position of the laser beam according to the planar structure of the structure to be produced, a metal layer having a desired shape can be obtained. In another embodiment, the laser irradiation position can be fixed and the stage moved so that the laser beam hits different positions of the metal powder on the stage 4 in sequence. The moving speed (scanning speed) of the laser beam is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but for example, it can be 0.1 to 5000 mm/s, and 100 to 360 mm/s is more preferable.

レーザ光を照射された金属粉体は溶融する。この時、照射位置やその近傍においてスパッタが発生するが、スパッタの発生は少ないことが好ましい。スパッタが発生すると、タンク中の金属粉体やステージ上に細かい金属粒子が混入ないし付着し、積層構造物の品質に悪影響を及ぼす原因となるためである。ここで、本開示のシールドガスを用いると、レーザ光の照射時に飛散するスパッタが少ないことが確認されている。また、溶融した金属粉体は流動性を有し、溶融部分の一部分ないし全体が一体化する。この時、溶融状態が不良である場合、粉体が粒状に変化するのみとなって連続した層を形成できず、緻密性の低い積層構造物しか得ることができない。これに対して、本開示のシールドガスを用いると、安定して連続性の高い溶融金属が形成される傾向がある。 The metal powder irradiated with the laser light melts. At this time, spatter occurs at the irradiation position and its vicinity, but it is preferable that the amount of spatter is small. If spatter occurs, fine metal particles may be mixed into or adhere to the metal powder in the tank or on the stage, which may adversely affect the quality of the laminated structure. Here, it has been confirmed that when the shielding gas disclosed in the present disclosure is used, there is little spatter scattered during irradiation with the laser light. In addition, the molten metal powder has fluidity, and a part or the entire molten portion is integrated. At this time, if the molten state is poor, the powder will only change into granular form and will not form a continuous layer, and only a laminated structure with low density can be obtained. In contrast, when the shielding gas disclosed in the present disclosure is used, there is a tendency for a stable and highly continuous molten metal to be formed.

溶融した金属は温度の低下とともに凝固するが、凝固の過程で割れが発生することがある。割れの発生は、積層構造物の作製不能や積層構造物の強度が損なわれる原因となるため好ましくない。ここで、本開示のシールドガスを用いると、凝固割れが低減され、良好な凝固状態の金属層が得られる。 Molten metal solidifies as the temperature drops, but cracks can occur during the solidification process. The occurrence of cracks is undesirable because it can make it impossible to produce a laminated structure or can cause the strength of the laminated structure to be compromised. Here, by using the shielding gas disclosed herein, solidification cracks are reduced and a metal layer in a good solidified state can be obtained.

レーザ光を照射し、金属粉体を溶融固化させる工程(S20)と、金属粉体を準備する工程(S10)とを繰り返し実施することで、金属層を順次積層させる。具体的には例えば、一層の金属層が生成された後、ステージ4が所定の距離分、下方に移動する。次いで、再びステージ4上に金属粉体が準備され(S10)、レーザ光が照射される(S20)。所望の寸法の金属積層構造体となるまで積層を繰り返し、金属積層構造物を得る(S30)。 The metal layers are stacked in sequence by repeatedly performing the process of irradiating the laser light to melt and solidify the metal powder (S20) and the process of preparing the metal powder (S10). Specifically, for example, after one metal layer is produced, the stage 4 moves downward a predetermined distance. Next, metal powder is again prepared on the stage 4 (S10), and the laser light is irradiated (S20). The stacking is repeated until a metal laminate structure of the desired dimensions is obtained, and a metal laminate structure is obtained (S30).

なお、上記の製造方法はレーザ溶融法のうちSLM法(Laser-based Powder Bed Fusion of metals (PBF-LB/M)とも定義される)に基づいて説明しているが、本開示のシールドガスの適用は、SLM法に限定されない。 Note that the above manufacturing method is explained based on the SLM method (also defined as Laser-based Powder Bed Fusion of metals (PBF-LB/M)), which is a type of laser melting method, but the application of the shielding gas disclosed herein is not limited to the SLM method.

<1.金属溶融試験>
[装置]
[図3]に模式図を示す金属溶融試験装置30を用いた。図3の金属溶融試験装置30は、内部に金属粉体を保持できるステージチャンバー33と、レーザ発振器31と、ステージチャンバー33にレーザを照射するレーザヘッド35と、を備える。ステージチャンバー33の内部に、金属粉体を収容する粉体バケット81が載置される。また、ステージチャンバー33に向けてX線を照射するX線管71を備える。ステージチャンバー33を挟んでX線管71と対向する位置に、イメージインテンシファイア72が備えられる。イメージインテンシファイア72に接続してカメラ73が備えられる。イメージインテンシファイア72において可視画像に変換されたX線像が、カメラ73によって記録される。
溶融試験装置30において、ステージチャンバー33に備えられるステージは、XY方向(装置における水平方向)に移動可能である。移動速度は0~1000mm/sの範囲で選択可能である。ステージに設置される粉体バケット81は、長さ120mm×高さ10mm×幅3mmの内部寸法を有し、金属粉体が充填される。レーザ発振器31のレーザ出力は、0~500Wの範囲で選択可能である。
<1. Metal melting test>
[Device]
A metal melting test apparatus 30 shown in a schematic diagram in FIG. 3 was used. The metal melting test apparatus 30 in FIG. 3 includes a stage chamber 33 capable of holding metal powder therein, a laser oscillator 31, and a laser head 35 for irradiating the stage chamber 33 with a laser. A powder bucket 81 for accommodating metal powder is placed inside the stage chamber 33. An X-ray tube 71 for irradiating X-rays toward the stage chamber 33 is also included. An image intensifier 72 is provided at a position facing the X-ray tube 71 across the stage chamber 33. A camera 73 is provided connected to the image intensifier 72. The X-ray image converted into a visible image in the image intensifier 72 is recorded by the camera 73.
In the melting test apparatus 30, the stage provided in the stage chamber 33 can move in the XY directions (horizontal directions in the apparatus). The moving speed can be selected in the range of 0 to 1000 mm/s. The powder bucket 81 installed on the stage has internal dimensions of 120 mm length x 10 mm height x 3 mm width, and is filled with metal powder. The laser output of the laser oscillator 31 can be selected in the range of 0 to 500 W.

[試験1]
(1)金属溶融試験装置30の粉体バケット81に、インコネル718(粒径45(中心値)~63μm、山陽特殊製鋼製)を詰め込み、ステージチャンバー33内に設置した。シールドガスとして、水素ガス(JIS K 0512-1995)とアルゴンガス(JIS Z3253:2011 I1相当)とを混合し、水素3体積%およびアルゴン97体積%を含有するガスを準備した。このシールドガスを用いて、5L/minの流量で10分以上、チャンバー内をパージした。次いで、チャンバー内部を5L/minのガス流通状態にした。
(2)次いで、粉体バケット81を移動速度7.5mm/秒で水平方向に移動させながら、バケット81中の金属粉体に対して出力150Wのレーザ光を照射した。レーザ光のスポット径は33μm(設計値)とした。同時に、X線透視観察装置(図3、4参照)及び二色温度計(Thermera NIR、株式会社三井フォトニクス製)を使用して、金属の溶融状態を直接観察した。
具体的な装置としては、[図3]、[図4]に模式的に示すとおり、レーザヘッド35、X線管71およびイメージインテンシファイア72、二色温度計をそれぞれ固定した。また、ステージチャンバー33内で金属粉体50を収容した粉体バケット81を水平方向に移動させた。この構成によって、金属粉体50に対してレーザ光のスポットが相対的に移動しながら照射されるようにした。このようにしてレーザ光によって溶融された金属粉体の溶融部を連続的に観察した。X線管71は、金属粉体試料に対して水平方向に固定し、溶融状態および溶融深さを観察した。二色温度計(不図示)は金属粉体試料に対して垂直上方向に固定し、溶融時の温度分布等を測定した。
(3)得られた金属凝固物について、目視にて外観を観察した。また、得られた金属凝固物を、熱硬化性樹脂を用いて固定し、断面方向に研磨し、光学顕微鏡を用いて断面を観察した。
[Test 1]
(1) Inconel 718 (particle size 45 (median value) to 63 μm, manufactured by Sanyo Special Steel) was packed into the powder bucket 81 of the metal melting test device 30 and placed in the stage chamber 33. Hydrogen gas (JIS K 0512-1995) and argon gas (equivalent to JIS Z3253:2011 I1) were mixed as the shielding gas to prepare a gas containing 3 volume % hydrogen and 97 volume % argon. The chamber was purged with this shielding gas at a flow rate of 5 L/min for 10 minutes or more. Next, the inside of the chamber was placed in a gas flow state of 5 L/min.
(2) Next, while moving the powder bucket 81 in the horizontal direction at a moving speed of 7.5 mm/sec, the metal powder in the bucket 81 was irradiated with a laser beam having an output of 150 W. The spot diameter of the laser beam was set to 33 μm (design value). At the same time, the molten state of the metal was directly observed using an X-ray fluoroscopy observation device (see FIGS. 3 and 4 ) and a two-color thermometer (Thermera NIR, manufactured by Mitsui Photonics Inc.).
As a specific apparatus, as shown in FIG. 3 and FIG. 4, a laser head 35, an X-ray tube 71, an image intensifier 72, and a two-color thermometer were fixed. In addition, a powder bucket 81 containing metal powder 50 was moved horizontally in the stage chamber 33. With this configuration, the spot of the laser light was irradiated while moving relatively to the metal powder 50. In this way, the molten part of the metal powder melted by the laser light was continuously observed. The X-ray tube 71 was fixed horizontally to the metal powder sample, and the melting state and melting depth were observed. The two-color thermometer (not shown) was fixed vertically upward to the metal powder sample, and the temperature distribution during melting was measured.
(3) The appearance of the obtained solidified metal was visually observed. In addition, the solidified metal was fixed using a thermosetting resin, polished in the cross-sectional direction, and the cross-section was observed using an optical microscope.

[試験2~試験11]
シールドガスの組成を[表1]のとおりとした以外は試験1と同様に、金属溶融試験を行った。試験1~試験7は本開示の実施例であり、試験8~試験11は本開示の比較例である。
[Tests 2 to 11]
A metal melting test was performed in the same manner as in Test 1, except that the composition of the shielding gas was as shown in Table 1. Tests 1 to 7 are examples of the present disclosure, and Tests 8 to 11 are comparative examples of the present disclosure.

Figure 0007558527000001
Figure 0007558527000001

[評価]
二色温度計によって、溶融時の温度およびスパッタ量を確認した。X線透視観察装置によって、溶融状態(溶融物の連続性や溶融深さ)を確認した。また、前記(3)のとおり、目視にて得られた金属凝固物の外観を観察し、光学顕微鏡にて金属凝固物の断面を観察した。
[evaluation]
The temperature during melting and the amount of spatter were confirmed by a two-color thermometer. The melting state (continuity of the melt and melt depth) was confirmed by an X-ray fluoroscopy observation device. As described above in (3), the appearance of the obtained metal solidified product was visually observed, and the cross section of the metal solidified product was observed by an optical microscope.

[結果]
二色温度計による観察結果の一部を[図5]に示す。画像において白く現れる部分が、スパッタの一部である。[図5]に示されるとおり、シールドガスとして3%H/Arを用いた場合(試験1)には、シールドガスとしてArのみを用いた場合(試験11)よりも、スパッタの飛散量が明らかに少なかった。スパッタが少ないことは、積層造形物を作る際に製品品質を確保できると考えられた。
[result]
A part of the observation results using the two-color thermometer is shown in [Figure 5]. The white parts in the image are part of the spatter. As shown in [Figure 5], when 3% H 2 /Ar was used as the shielding gas (Test 1), the amount of spatter was clearly less than when only Ar was used as the shielding gas (Test 11). It was thought that the less spatter would ensure product quality when making an additive manufacturing object.

X線透過観察装置による溶融金属の観察によれば、シールドガスとして3%H/Arを用いた場合(試験1)は、シールドガスとしてArのみを用いた場合(試験11)よりも、溶融物の連続性が高いことが確認された。溶融金属の観察結果を[図6]に示す。なお、図6では理解容易のために金属溶融物を白枠で示している。 Observation of the molten metal using an X-ray transmission observation device confirmed that the continuity of the molten material was higher when 3% H2 /Ar was used as the shielding gas (Test 1) than when only Ar was used as the shielding gas (Test 11). The observation results of the molten metal are shown in [Figure 6]. In Figure 6, the molten metal is shown in a white frame for ease of understanding.

得られた金属凝固物の目視による外観観察では、シールドガスとして7%、10%、16.6%、18%H/Arを用いた各場合(試験3~試験6)において、連続性が高く、硬い金属凝固物が得られた。特に、シールドガスとして10%H/Arを用いた場合(試験4)、外観(凝固物の連続性)および脆さの点で最も良好な金属凝固物が得られた。一方、H濃度が20%を超えるシールドガスを用いた場合(試験8~試験10)は、金属凝固物の連続性が低く、ばらばらの状態となった。 Visual observation of the appearance of the obtained metal solidified product showed that in each of the cases where 7%, 10%, 16.6%, and 18% H2 /Ar were used as the shielding gas (Tests 3 to 6), a metal solidified product with high continuity and hardness was obtained. In particular, when 10% H2 /Ar was used as the shielding gas (Test 4), the metal solidified product was the best in terms of appearance (continuity of the solidified product) and brittleness. On the other hand, when a shielding gas with an H2 concentration of more than 20% was used (Tests 8 to 10), the metal solidified product had low continuity and was in a scattered state.

光学顕微鏡による金属凝固物の断面観察の結果の一部を[図7]に示す。[図7]に示されるとおり、シールドガスとして7%、10%、16.6%および18%H/Arを用いた各場合(試験3~試験6)において、凝固割れの少ない良好な凝固物が得られた。特に、H濃度が7%の場合(試験3)に、最も凝固割れが少なかった。なお、凝固割れとは、溶融した金属が温度低下に従って固化し、固体金属となる際に発生する割れをいう。 Some of the results of cross-sectional observation of the metal solidified material by an optical microscope are shown in [Figure 7]. As shown in [Figure 7], in each case (Test 3 to Test 6) in which 7%, 10%, 16.6% and 18% H2 /Ar were used as the shielding gas, good solidified material with little solidification cracking was obtained. In particular, when the H2 concentration was 7% (Test 3), solidification cracking was the least. Note that solidification cracking refers to cracking that occurs when molten metal solidifies as the temperature decreases and becomes solid metal.

[試験12]
金属粉体としてSUS316(45(中心値)~63μm(LPW Technology製))を用い、シールドガスとして5%H/95%N(商品名リークメイト、岩谷産業株式会社製)を用いる以外は、試験1と同様に金属溶融試験を行った。
[Test 12]
A metal melting test was carried out in the same manner as in Test 1, except that SUS316 (45 (median) to 63 μm (manufactured by LPW Technology)) was used as the metal powder and 5% H 2 /95% N 2 (product name: Leakmate, manufactured by Iwatani Corporation) was used as the shielding gas.

[試験13]
シールドガスとしてN(JIS Z 3253:2011N1相当)を用いる以外は、試験12と同様に金属溶融試験を行った。
[Test 13]
A metal melting test was carried out in the same manner as in Test 12, except that N 2 (corresponding to JIS Z 3253:2011N1) was used as the shielding gas.

試験12は本開示の実施例であり、試験13は本開示の比較例である。試験12は、試験13と比較して、二色温度計による観察の結果、スパッタの飛散量が少なかった。また、X線透過観察装置による溶融金属の観察の結果、試験12で得られた金属凝固物は、試験13で得られた金属凝固物よりも、溶融物の連続性が高いことが確認された。 Test 12 is an example of the present disclosure, and Test 13 is a comparative example of the present disclosure. Test 12, as compared to Test 13, showed a smaller amount of spatter scattering as a result of observation with a two-color thermometer. In addition, as a result of observation of the molten metal with an X-ray transmission observation device, it was confirmed that the metal solid obtained in Test 12 had higher molten continuity than the metal solid obtained in Test 13.

<2.金属積層試験>
[装置]
[図2]に模式図を示す金属積層造形装置を用いた。レーザの出力は200Wとした。レーザのスポット径は100μm(設計値)とした。
[金属粉体]
インコネル718(45(中心値)~63μm(山陽特殊製鋼製))
[シールドガス]
アルゴンガス(JIS Z 3253:2011 I1 相当)
3%H/Ar(JIS Z 3253:2011 I3相当、「ティグメイト」岩谷産業株式会社製)
2%H/Ar(JIS Z 3253:2011 I3 相当、「ティグメイト」岩谷産業株式会社製)
<2. Metal lamination test>
[Device]
The metal additive manufacturing device shown in the schematic diagram in Fig. 2 was used. The laser output was 200 W. The laser spot diameter was 100 μm (design value).
[Metal powder]
Inconel 718 (45 (center value) to 63 μm (manufactured by Sanyo Special Steel))
[Shielding gas]
Argon gas (equivalent to JIS Z 3253:2011 I1)
3% H2 /Ar (equivalent to JIS Z 3253:2011 I3, "Tigmate" manufactured by Iwatani Corporation)
2% H2 /Ar (equivalent to JIS Z 3253:2011 I3, "Tigmate" manufactured by Iwatani Corporation)

[積層造形方法]
(1)材料供給機構である粉体バケットに金属粉体を詰めて装置に設置した。造形ステージとコーターの隙間を0.05mm以内に調整し、間に金属粉体を敷き詰めた。
(2)造形チャンバーの内部を、真空ポンプにて真空(内部圧力1.5×10-2Pa以下)にした後、シールドガスで10分以上パージし、内部を5L/minのガス流通状態にした。
(3)シールドガスを流通させた後、レーザを起動した。レーザを走査させながら金属粉体に照射し、金属粉体を溶融固化させて金属層を形成した。
(4)1層の形成が完了した後、造形ステージを0.05mm下げ、コーターによって金属粉体を造形ステージ上に敷き詰めた。このとき、金属粉体の厚さは0.05mmにした。その後、レーザを金属粉体に照射し、金属層形成を行った。この操作を繰り返すことによって200層を積層し、7.5×5×10mmの金属積層構造物を得た。
[Additive manufacturing method]
(1) The powder bucket, which is the material supply mechanism, was filled with metal powder and placed in the device. The gap between the modeling stage and the coater was adjusted to within 0.05 mm, and the metal powder was spread between them.
(2) The inside of the modeling chamber was evacuated with a vacuum pump (internal pressure 1.5×10 −2 Pa or less), and then purged with a shielding gas for 10 minutes or more to create a gas flow state of 5 L/min.
(3) After the shielding gas was circulated, the laser was started. The laser was irradiated onto the metal powder while scanning, and the metal powder was melted and solidified to form a metal layer.
(4) After the formation of one layer was completed, the modeling stage was lowered by 0.05 mm, and the metal powder was spread on the modeling stage by a coater. At this time, the thickness of the metal powder was set to 0.05 mm. Then, the metal powder was irradiated with a laser to form a metal layer. By repeating this operation, 200 layers were stacked, and a metal laminated structure of 7.5 x 5 x 10 mm was obtained.

アルゴンガス、3%H/Ar、2%H/Arの3種類のシールドガスをそれぞれ用いて、上記の積層造形を行った。また、レーザ走査速度を、60, 90, 120, 150, 180, 270, 360, 450, 540, 900mm/秒の各速度として、上記の積層造形を行った。 The above-mentioned additive manufacturing was performed using three types of shielding gas, namely, argon gas, 3% H2 /Ar, and 2% H2 /Ar, and the laser scanning speeds were set to 60, 90, 120, 150, 180, 270, 360, 450, 540, and 900 mm/sec.

得られた金属積層構造物について、断面観察および密度の測定を行った。
断面観察は、熱硬化性樹脂を用いて得られた金属積層構造物を固定し、断面方向に研磨し、実体顕微鏡を用いて観察を行った。密度の測定はアルキメデス法によって実施した。
The cross section of the obtained metal laminate structure was observed and the density was measured.
The cross-section of the metal laminated structure was observed by fixing the metal laminated structure with a thermosetting resin, polishing the metal laminated structure in the cross-sectional direction, and observing the cross-section with a stereomicroscope. The density was measured by the Archimedes method.

[図8]に、得られた金属積層構造物の一部の断面を示す。[図8]に示されるとおり、シールドガスとして3%H/Arを用いた場合、シールドガスとしてアルゴンガスを用いた場合と大きな差異は確認されず、いずれも金属積層構造物が形成された。 A cross section of a portion of the obtained metal laminate structure is shown in Fig. 8. As shown in Fig. 8, when 3% H2 /Ar was used as the shielding gas, no significant difference was observed between the case where argon gas was used as the shielding gas, and a metal laminate structure was formed in either case.

[図9]は、レーザ走査速度に対する、金属積層構造物の相対密度(%)のグラフである。[図9]に示されるとおり、レーザ走査速度が360mm/秒を超えると相対密度は低下する傾向にある。しかしながら、水素ガスを2%含むシールドガス(グレーで示す)、水素ガスを3%含むシールドガス(黒で示す)を用いた場合には、アルゴンガスのみ(白で示す)の場合よりも、相対密度の低下が小さかった。このことから、水素ガスを含有するシールドガスは、物性に優れた金属積層構造物の高速での製造を可能にすると考えられた。 [Figure 9] is a graph of the relative density (%) of a metal laminate structure versus the laser scanning speed. As shown in [Figure 9], when the laser scanning speed exceeds 360 mm/sec, the relative density tends to decrease. However, when a shielding gas containing 2% hydrogen gas (shown in gray) or 3% hydrogen gas (shown in black) was used, the decrease in relative density was smaller than when argon gas only (shown in white) was used. From this, it was thought that a shielding gas containing hydrogen gas enables the high-speed production of metal laminate structures with excellent physical properties.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and are not restrictive in any respect. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the meaning described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.

1 レーザ照射源、2 反射板、3 造形チャンバー、4 ステージ、5 シールドガス供給源、6 循環路、7 循環装置、30 溶融試験装置、31 レーザ発振器、33 ステージチャンバー、35 レーザヘッド、50 金属粉体、71 X線管、72 イメージインテンシファイア、73 カメラ、81 粉体バケット、L1、L2 管路 1 Laser irradiation source, 2 Reflector, 3 Modeling chamber, 4 Stage, 5 Shielding gas supply source, 6 Circulation path, 7 Circulation device, 30 Melting test device, 31 Laser oscillator, 33 Stage chamber, 35 Laser head, 50 Metal powder, 71 X-ray tube, 72 Image intensifier, 73 Camera, 81 Powder bucket, L1, L2 Pipe

Claims (5)

レーザ溶融法による金属粉体の積層造形において用いられるシールドガスであって、
体積%以上18体積%以下の水素ガスと、82体積%以上93%体積以下の不活性ガスと、を含有し、前記不活性ガスがアルゴンガスを含有する、シールドガス。
A shielding gas used in additive manufacturing of metal powder by a laser melting method,
A shielding gas comprising: 7 % by volume or more and 18 % by volume or less of hydrogen gas; and 82 % by volume or more and 93 % by volume or less of an inert gas, the inert gas comprising argon gas .
アルゴンガスの含有割合が82体積%以上93%体積以下である、請求項1に記載のシールドガス。 2. The shielding gas according to claim 1, wherein the argon gas content is 82% by volume or more and 93% by volume or less . 前記シールドガスが、水素ガスとアルゴンガスとからなる、請求項1または請求項2に記載のシールドガス。 3. The shielding gas according to claim 1, wherein the shielding gas comprises hydrogen gas and argon gas. 金属粉体を準備する工程と、
金属積層造形装置において、シールドガスの存在下で前記金属粉体にレーザ光を照射し、前記金属粉体を溶融させる工程と、を含み、
前記シールドガスが、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のシールドガスである、
金属積層構造物の製造方法。
Providing a metal powder;
and irradiating the metal powder with a laser beam in the presence of a shielding gas in a metal additive manufacturing apparatus to melt the metal powder.
The shielding gas is a shielding gas according to any one of claims 1 to 3.
A method for manufacturing a metal laminate structure.
前記金属粉体が、ニッケル合金またはステンレス鋼である、請求項4に記載の金属積層構造物の製造方法。 The method for manufacturing a metal laminate structure according to claim 4, wherein the metal powder is a nickel alloy or stainless steel.
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