JP2018176213A - 重畳光ビーム加工装置及び重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる波長のレーザ光を重畳して照射しても、安定した状態で重畳したレーザ光をワークに照射し効率よく加工が可能な重畳光ビーム加工装置及び重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法を提供する。【解決手段】重畳光ビーム加工装置１０は、第一及び第二光ビームＬ１，Ｌ２を重畳して照射するガルバノスキャナ装置５０と、ワーク配置部６０と、光学装置格納領域３１及び加工領域３２を備えるチャンバ２０と、光学装置格納領域と加工領域とを区画する区画部３０と、光学装置格納領域から加工領域に向かい照射される第一,第二光ビームを通過させる光ビーム連通路と、第一，第二光ビームを照射する際、加工領域内の気体が光学装置格納領域に移動しないようシールドガスＳＧをチャンバの外部から加工領域の内部に向って吐出するガス吐出装置７０,７０Ａと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、重畳光ビーム加工装置及び重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法に関する。

近年、例えば、粉末状の金属（ワーク）をレーザ光の照射によって焼結又溶融して固化させ、一層ずつ層状に積層して立体的な造形物を製造する金属ＡＭ（Additive Manufactuaring）の開発が盛んになってきている。金属ＡＭで主に使用される金属には、高出力で且つ安価である近赤外波長のレーザ光に対し、吸収率が高いマルエージング鋼、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、及びチタン鋼（Ｔｉ）などがある。

しかしながら、市場では、金属ＡＭの金属粉末材料（ワーク）として、銅やアルミなども採用したいという要望が強くある。ところが、銅やアルミは、低温（常温）時においては、近赤外波長のレーザ光の吸収率が低い。このため、溶融するのに時間がかかり安定した溶融状態を得ることが難しい。これにより、溶融後の冷却において、造形されたワーク（造形品）はポーラス状となり、相対密度が低くなることで、強度低下等が発生する虞がある。

これに対し、特許文献１には、金属粉末材料をアルミ粉末とした、金属ＡＭの技術が開示されている。特許文献１の技術では、アルミ粉末に、近赤外波長のレーザ光の吸収率が高いレーザ吸収剤を含ませている。これにより、近赤外波長のレーザ光が照射されると、まず、レーザ吸収剤に近赤外波長のレーザ光が吸収されて加熱され、その熱がアルミ粉末に伝導してアルミ粉末を加熱するとともに保温する。そして、このような環境において、さらにアルミ粉末を近赤外波長のレーザ光による照射とレーザ吸収剤からの熱とによって加熱し速やかに溶融させると記載されている。しかし、特許文献１の技術では、レーザ吸収剤自体がコストアップの要因となる虞がある。また、アルミ粉末と混在するレーザ吸収剤が不純物となり、製品の強度等によくない影響を及ぼす虞もある。

これに対し、特許文献２には、ワークに対してレーザ吸収剤を用いず、近赤外波長のレーザ光と、アルミや銅に対して吸収率が高く近赤外波長とは異なる波長を有するレーザ光と、を重畳してワークに照射する技術が開示されている。これにより、ワークが低温（常温）時においては、照射されたレーザ光のうち、近赤外波長とは異なる波長のレーザ光が吸収されワークが良好に昇温する。また、ワークが高温になれば、吸収率が向上した高出力の近赤外波長のレーザ光が吸収され、速やかに所望の加工が行なわれる。

特開２０１１−２１２１８号公報 特開２０１４−２４１０５号公報

しかしながら、特許文献２の技術では、異なる二つの波長のレーザ光を同時に照射している。そして、このとき、各レーザ光が有する屈折率は、各波長に依存している。従って、レーザ光照射装置と金属粉末との間に保護ガラスを配置すると、重畳して照射された各レーザ光は、保護ガラスを通過した際、異なる屈折率によって異なる方向に屈折し金属粉末上の異なる位置に照射されてしまう。このため、保護ガラスを設けることができない。これにより、各レーザ光の照射により発生するスパッタ等がレーザ光照射装置の光学素子を汚染し、造形物の品質が悪化する虞がある。

本発明は、異なる波長のレーザ光を重畳して照射しても、安定した状態で重畳したレーザ光をワークに照射し効率よく加工が可能な重畳光ビーム加工装置及び重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る重畳光ビーム加工装置は、異なる波長を有する第一光ビーム及び第二光ビームを同軸に重畳してワークに照射し前記ワークを加工する。重畳光ビーム加工装置は、前記ワークに前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを重畳して照射するガルバノスキャナ装置と、前記ワークが配置されるワーク配置部と、前記ガルバノスキャナ装置が格納される光学装置格納領域及び前記ワーク配置部が格納される加工領域を備え、外気と内気との遮断が可能なチャンバと、前記チャンバ内において、前記光学装置格納領域と前記加工領域とを区画する区画部と、前記区画部に形成され、前記光学装置格納領域から前記加工領域の前記ワークに向かい重畳して照射される前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを通過させ、前記ワークに直接照射可能とする光ビーム連通路と、前記ガルバノスキャナ装置が、前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを重畳し前記光学装置格納領域から前記加工領域に向かって照射する際、前記加工領域内の気体が前記光学装置格納領域に移動しないようシールドガスを前記チャンバの外部から前記加工領域の内部に向って吐出するガス吐出装置と、を備える。

このように、シールドガスがチャンバの外部から加工領域の内部に向って吐出する。このため、光ビーム連通路に保護ガラスを設けなくても、第一光ビーム及び第二光ビームの照射時において、加工領域におけるワークで発生したスパッタ等が、光ビーム連通路を通って光学装置格納領域に移動することが良好に阻止される。これにより、光学装置格納領域内に配置される光学装置（ガルバノスキャナ装置等）が汚染されることはない。よって、重畳され照射された第一光ビーム及び第二光ビームは、エネルギー損失が抑制されるとともに、精度よくワークの所定の位置に同軸で照射されるので、高品質な加工結果物が得られる。

また、本発明に係る上記重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法は、前記ガルバノスキャナ装置が、前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを重畳し前記光学装置格納領域から前記加工領域に向かって照射し、同時に前記ガス吐出装置が、前記加工領域内の気体が前記光学装置格納領域に移動しないよう前記チャンバの外部からシールドガスを前記加工領域の内部に向って吐出する。これにより、請求項１で得られる加工結果物と同様の加工結果物が得られる。

金属材料別のレーザ光の波長と吸収率との関係を示すグラフである。 第一実施形態に係る重畳光ビーム加工装置を備える積層造形物製造装置の模式図である。 図２における金属粉末供給装置の上面図である。 第一実施形態に係る重畳光ビーム加工装置の変形態様１を説明する模式図である。 第一実施形態に係る重畳光ビーム加工装置の変形態様２を説明する模式図である。 第一実施形態に係る重畳光ビーム加工装置の変形態様３を説明する模式図である。

＜１．第一実施形態＞
（１−１．概要）
以下、本発明に係る重畳光ビーム加工装置及び重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法について、好適な実施形態を例示して添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態に係る重畳光ビーム加工装置１０は、金属粉末１５を原材料として積層造形物を製造する積層造形物製造装置１００に適用される。後に詳述するが、積層造形物製造装置１００は、重畳光ビーム加工装置１０を作動させ、異なる波長を有する第一光ビーム及び第二光ビームを同軸に重畳して後述する金属粉末１５（ワークに相当）上に照射する。そして、照射した部分の金属粉末１５（ワーク）を焼結又は溶融によって固化させ三次元造形物を積層造形（加工に相当）する。

なお、上記の態様に限らず、重畳光ビーム加工装置１０は、どのような用途に使用しても良い。例えば、第一光ビーム及び第二光ビームを同軸に重畳してワークに照射し、ワークを切断加工するのに用いてもよい。また、第一光ビーム及び第二光ビームを同軸に重畳して照射し二つのワークを接合するのに用いてもよい。

なお、本実施形態では、第一光ビーム（一方の光ビームに相当する）は、赤外波長（近赤外波長）のレーザ光であり、以降、近赤外レーザ光Ｌ１と称す。また、第二光ビーム（他方の光ビームに相当する）は、近赤外波長より波長が短い短波長（例えば、波長０．２〜０．６μｍ）のレーザ光であり、以降、短波長レーザ光Ｌ２と称す。

また、金属粉末１５（ワーク）としては、常温時における近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が、所定の値以下の「低吸収率材料」を対象とする。このとき所定の値は、例えば吸収率３０％とする（図１参照）。この場合、「低吸収率材料」として、銅やアルミ等が対象となり、以降の実施形態では、銅の粉末である銅粉を金属粉末１５として選択し説明する。また、本実施形態においては、三次元造形物を積層造形する際、金属粉末１５を焼結ではなく、溶融によって固化させ積層造形するものとして説明する。しかし、溶融ではなく、焼結によって、三次元造形物を製造してもよい。

（１−２．積層造形物製造装置１００）
図２は、本発明に係る第一実施形態の積層造形物製造装置１００の模式図である。図２に示すように、積層造形物製造装置１００は、重畳光ビーム加工装置１０と、金属粉末供給装置１１０と、近赤外レーザ光Ｌ１を生成する第一レーザ発振器１２０と、短波長レーザ光Ｌ２を生成する第二レーザ発振器１３０と、制御部１４０とを備える。重畳光ビーム加工装置１０，金属粉末供給装置１１０、第一レーザ発振器１２０及び第二レーザ発振器１３０はそれぞれ制御部１４０と接続され、制御部１４０によって適宜制御される。

重畳光ビーム加工装置１０は、チャンバ２０と、区画部３０と、光ビーム連通路４０と、ガルバノスキャナ装置５０と、ワーク配置部６０と、ガス吐出装置７０と、ガイド部８０と、を備える。図２に示すように、チャンバ２０は、概ね直方体形状で形成された筐体であり、外気と内気との遮断が可能な容器である。チャンバ２０は、内部の空気を、例えばＨｅ（ヘリウム）、Ｎ_２（窒素）やＡｒ（アルゴン）などの不活性ガスに置換可能な装置を備える（不図示）。

図２に示すように、チャンバ２０は、区画部３０によって上下空間が区画される。区画部３０は板状部材によって形成される。区画部３０には、上下空間を連通させる貫通孔である光ビーム連通路４０（後に詳述する）が設けられる。図２において、区画部３０の上方の空間が、光学装置格納領域３１である。区画部３０の下方の空間が加工領域３２である。

光学装置格納領域３１には、制御部１４０によって制御されるガルバノスキャナ装置５０が格納される。また、加工領域３２には、ワーク配置部６０が格納される。本実施形態において、ワーク配置部６０は、加工領域３２内に配置される金属粉末供給装置１１０が備える照射領域Ａｒ１（図３参照）である。ワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）には、金属粉末１５の薄膜層１５ａが配置される。薄膜層１５ａは、金属粉末供給装置１１０によって供給される。

ガルバノスキャナ装置５０は、第一光学系５１と、第二光学系５２と、ダイクロイックミラー５３と、ガルバノスキャナ５４とを備える。第一光学系５１は、近赤外レーザ光Ｌ１を集光する機能を備える。第二光学系５２は、短波長レーザ光Ｌ２を集光する機能を備える。

ダイクロイックミラー５３は、第一光学系５１から出射された近赤外レーザ光Ｌ１と第二光学系５２から出射された短波長レーザ光Ｌ２とを同軸に重畳させる機能を備える。ガルバノスキャナ５４は、ダイクロイックミラー５３で重畳された近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２をワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）に供給された金属粉末１５（ワーク）に対して照射し走査する。これらの制御は、制御部１４０によって行われる。

図２に示すように、第一レーザ発振器１２０及び第二レーザ発振器１３０は、チャンバ２０の外部に配置される。制御部１４０の制御によって、第一レーザ発振器１２０は、波長が予め設定された所定の近赤外波長となるよう発振させて近赤外レーザ光Ｌ１を生成する。近赤外レーザ光Ｌ１の波長の大きさは、１．０μｍ前後である。具体的には、近赤外レーザ光Ｌ１として、ＨｏＹＡＧ（波長：約１．５μｍ）、ＹＶＯ（イットリウム・バナデイト、波長：約１．０６μｍ）、Ｙｂ（イッテルビウム、波長：約１．０９μｍ）およびファイバーレーザなどが採用可能である。

これにより、第一レーザ発振器１２０を安価に製作できるとともに、運用時においても消費エネルギーは小さく安価である。なお、材料別のレーザ光の波長（μｍ）とレーザ光の吸収率（％）との関係を表す図１に示すように、近赤外レーザ光Ｌ１は、常温時において銅やアルミに対する吸収率が比較的低く、吸収率は３０％以下である。

第二レーザ発振器１３０は、制御部１４０の制御によって、波長が予め設定された所定の短波長となるよう発振させて短波長レーザ光Ｌ２を生成する。短波長レーザ光Ｌ２は、近赤外波長より波長が短い短波長（例えば、波長０．２〜０．６μｍ）のレーザ光である。材料別のレーザ光の波長（μｍ）とレーザ光の吸収率（％）との関係を示す図１を見ると、常温における銅に対する短波長レーザ光の吸収率は近赤外レーザ光の吸収率よりも高い。短波長レーザの例として、ＵＶレーザ、グリーンレーザ、及びブルーレーザ等が挙げられる。本実施形態においては、例えばブルーレーザを適用する。

図２に示すように、第一レーザ発振器１２０は、発振され生成された近赤外レーザ光Ｌ１をチャンバ２０内の第一光学系５１に伝送するための光ファイバ１２０ａを備える。光ファイバ１２０ａは、チャンバ２０内の気密が保持可能となるようチャンバ２０に接続される。また、第二レーザ発振器１３０は、発振され生成された短波長レーザ光Ｌ２をチャンバ２０内の第二光学系５２に伝送するための光ファイバ１３０ａを備える（図２参照）。光ファイバ１３０ａは、光ファイバ１２０ａと同様、チャンバ２０内の気密が保持可能となるようチャンバ２０に接続される。

第一光学系５１は、第一レーザ発振器１２０とダイクロイックミラー５３との間の光路上に配設される。具体的には、第一光学系５１は、近赤外レーザ光Ｌ１を拡径する第一拡径レンズ５１ａと、第一拡径レンズ５１ａにて拡径された近赤外レーザ光Ｌ１を集光する第一集光レンズ５１ｂと、第一拡径レンズ５１ａをその光軸に沿って変位可能に支持する第一レンズホルダ５１ｃと、を備える。

本実施形態では、第一拡径レンズ５１ａとして凹レンズが用いられ、第一集光レンズ５１ｂとして凸レンズが用いられる。このように構成される第一光学系５１は、第一拡径レンズ５１ａと第一集光レンズ５１ｂとの間隔を制御部１４０の制御によって変更することにより、第一光学系５１の焦点距離が容易に調整可能となっている。

第二光学系５２は、上述した第一光学系５１と同様の構成を有しており、第二レーザ発振器１３０とダイクロイックミラー５３との間の光路上に配設される。すなわち、第二光学系５２は、短波長レーザ光Ｌ２を拡径する第二拡径レンズ５２ａと、第二拡径レンズ５２ａにて拡径された短波長レーザ光Ｌ２を集光する第二集光レンズ５２ｂと、第二拡径レンズ５２ａをその光軸に沿って変位可能に支持する第二レンズホルダ５２ｃと、を備える。

本実施形態では、第一光学系５１と同様、第二拡径レンズ５２ａとして凹レンズが用いられ、第二集光レンズ５２ｂとして凸レンズが用いられる。このように構成される第二光学系５２は、第二拡径レンズ５２ａと第二集光レンズ５２ｂとの間隔を制御部１４０の制御によって変更することにより、第二光学系５２の焦点距離が容易に調整可能となっている。

ダイクロイックミラー５３は、図２に示すように配置され、近赤外レーザ光Ｌ１を背面側から透過すると共に短波長レーザ光Ｌ２を反射する。これにより、ダイクロイックミラー５３は、第一光学系５１から出射された近赤外レーザ光Ｌ１と第二光学系５２から出射された短波長レーザ光Ｌ２とを同軸に重畳させることができる。

ガルバノスキャナ５４は、ダイクロイックミラー５３にて同軸に重畳された近赤外レーザ光Ｌ１と短波長レーザ光Ｌ２とを例えば所定の方向Ｄ１（図略）に沿って走査するためのガルバノミラー５４ａと、ガルバノミラー５４ａを回動させるための図略のモータと、ガルバノミラー５４ａの走査角度を取得するためのエンコーダ（図略）と、ガルバノミラー５４ａから導かれた近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２を所定の方向Ｄ１と平面上で直交する所定の方向Ｄ２（図略）に沿って走査するためのガルバノミラー５４ｂと、ガルバノミラー５４ｂを回動させるためのモータ(図略)と、ガルバノミラー５４ｂの走査角度を取得するためのエンコーダ（図略）と、を含んでいる。

このように構成されるガルバノスキャナ５４は、近赤外レーザ光Ｌ１と短波長レーザ光Ｌ２とを金属粉末１５（ワーク）の薄膜層１５ａの表面における平面内で所定の方向Ｄ１，Ｄ２（図略）に沿って容易に走査することができる。これらの制御は、制御部１４０の制御によって行われる。

このように構成されたガルバノスキャナ装置５０は、ワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）（図２、図３参照）に供給された薄膜層１５ａの表面に、同軸に重畳された近赤外レーザ光Ｌ１と短波長レーザ光Ｌ２とを照射する。そして、このとき、重畳された近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２は、区画部３０に形成された貫通孔である光ビーム連通路４０を通過して直接、金属粉末１５の薄膜層１５ａの表面に照射される。

ガス吐出装置７０は、ガルバノスキャナ装置５０が、近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）を、同軸に重畳し光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過させて加工領域３２のワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）に向けて照射する際、加工領域３２内の気体が光学装置格納領域３１に移動しないようシールドガスＳＧをチャンバ２０の外部から加工領域３２の内部に向って吐出する。

詳細には、ガルバノスキャナ装置５０が、近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２を、光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過させて加工領域３２のワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）に向けて照射する際、ガス吐出装置７０は、シールドガスＳＧを、チャンバ２０の外部から光学装置格納領域３１の内部に吐出する。そして、光ビーム連通路４０は、光学装置格納領域３１に吐出されたシールドガスＳＧを通過させ、シールドガスＳＧを加工領域３２の内部に流動させる。つまり、光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過して加工領域３２に向かう気体の流れを形成する。

なお、このとき、低コスト化を図るため、ガス吐出装置７０によって、光学装置格納領域３１内に吐出されるガスは、チャンバ２０内に充填されている不活性ガス(気体)を循環させて使用することが好ましい。そこで、ガス吐出装置７０は、図２に示すように、チャンバ２０の加工領域３２内の気体を吸引する負圧ポンプ７１と、負圧ポンプ７１で吸引された加工領域３２内の気体を光学装置格納領域３１内に吐出するガス噴射部７２と、負圧ポンプ７１とガス噴射部７２との間に設けられ吸引したガス内の不純物（スパッタ等）を除去するフィルタ７３とを備える。

このような構成により、チャンバ２０内に充填されている不活性ガス(気体)が、ガス吐出装置７０が吐出するシールドガスＳＧとして使用され、効率的である。なお、本実施形態において、ガス噴射部７２は単なるノズルである。また、不純物が除去でき、ガスの流通が良好であればフィルタ７３は、どのようなものでもよい。

ガス吐出装置７０において、負圧ポンプ７１の吸入口７１ａが加工領域３２の内部に連通するようチャンバ２０と接続される。このとき、負圧ポンプ７１は、ガス噴射部７２が設けられるチャンバ２０の面と背向する面に設けられることが好ましい。このようにガス噴射部７２と負圧ポンプ７１とを配置することにより、光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過して加工領域３２に向かう気体の流れを滑らかなものとし、加工領域３２から光学装置格納領域３１への逆流を防止する効果を一層高めることができる。

また、負圧ポンプ７１の吐出口７１ｂが、フィルタ７３の入口７３ａと接続される。また、ガス噴射部７２の吸入口７２ａがフィルタ７３の出口７３ｂと接続され、吐出口７２ｂが、光学装置格納領域３１の内部に連通するようチャンバ２０と接続される。

また、図２に示すように、区画部３０の上面における光ビーム連通路４０の光学装置格納領域３１側の外周縁のうち、ガス噴射部７２が配置される側とは反対側の外周縁には、ガイド部８０が設けられる。ガイド部８０は、板状部材で形成され、光ビーム連通路４０の光学装置格納領域３１側の外周縁に垂直に立設されている。このとき、ガイド部８０は、ガス噴射部７２がシールドガスＳＧを噴射する際の噴射方向Ｐの延長線上に、ガス噴射部７２と対向する面が交差するように設けられることが好ましい。これにより、シールドガスＳＧは、チャンバ２０の外部から光学装置格納領域３１の内部に吐出されたのち、ガイド部８０に誘導され、光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過し、良好に加工領域３２に向って流動される。

なお、図２に示す態様に限らず、ガイド部８０は、ガイド部８０の上端がガス噴射部７２の方向に向って近接するようガス噴射部７２と対向する面を傾動させて設けても良い。これにより、シールドガスＳＧは、ガイド部８０に誘導され、より良好に光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過し加工領域３２に向って流動される。

金属粉末供給装置１１０は、チャンバ２０内の加工領域３２に設けられ、三次元造形物の原材料となる金属粉末１５の薄膜層１５ａをワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）（図２参照）に形成する。

図２に示すように、金属粉末供給装置１１０は、造形用容器１２１と、粉末収納容器１２２とを備える。図２に示すように、造形用容器１２１内には、造形物昇降テーブル１２３が設けられる。造形物昇降テーブル１２３上には、前述した金属粉末１５の薄膜層１５ａが後述する手順によって配置される。そして、重畳された近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）の薄膜層１５ａへの照射によって薄膜層１５ａの金属粉末１５を溶融させ、その後固化させて固化薄膜層１５ｂを形成する。

次に、造形物昇降テーブル１２３を下方に移動させて、上記と同様に、再び薄膜層１５ａを形成する。そして、重畳された近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）の薄膜層１５ａへの照射によって薄膜層１５ａの金属粉末１５を溶融させ、その後固化させて固化薄膜層１５ｂを再び形成し、先ほど形成した固化薄膜層１５ｂの上に積層する。このような作業の繰り返しによって三次元造形物が作製される。

粉末収納容器１２２では、フィードテーブル１２４上に金属粉末１５が収納され、フィードテーブル１２４を上方に移動させることにより、粉末収納容器１２２の上端面より上方に金属粉末１５を突出させ供給する。なお、造形物昇降テーブル１２３，フィードテーブル１２４には、それぞれ支持軸１２３ａ，１２４ａが取り付けられる。支持軸１２３ａ，１２４ａは、駆動装置（図略）に接続され、駆動装置の作動によって上下に移動される。

また、造形用容器１２１、及び粉末収納容器１２２の開口の全領域にわたって移動するリコータ１２６が設けられる。リコータ１２６は、図２の右から左に向かって移動する。これにより、フィードテーブル１２４の上昇により供給された金属粉末１５を造形物昇降テーブル１２３上に運搬するとともに、造形物昇降テーブル１２３上に金属粉末１５の薄膜層１５ａを形成する。薄膜層１５ａの厚さは、造形物昇降テーブル１２３の下降量で決まる。本実施形態では、薄膜層１５ａの厚さは、３０μｍ〜１００μｍ程度である。ただし、この厚さはあくまで一例を例示したのみであり、この厚さに限定はされない。

（１−３．加工方法）
次に、重畳光ビーム加工装置１０を用いた加工方法について説明する。なお、ガルバノスキャナ装置５０によって、近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）を、同軸に重畳しワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）に向けて照射する技術については公知である。よって詳細な説明は省略する。

本発明においては、ガルバノスキャナ装置５０が配置される光学装置格納領域３１と、ワーク配置部６０が配置される加工領域３２との間は、区画部３０によって区画されている。また、区画部３０には、光ビーム連通路４０が貫通して設けられている。このため、重畳光ビーム加工装置１０（ガルバノスキャナ装置５０）が作動されると、同軸に重畳され照射された近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２が、貫通孔である光ビーム連通路４０を通過し、加工領域３２内のワーク配置部６０に向かって直接照射される。

そして、このとき、同時にガス吐出装置７０も作動される。これにより、負圧ポンプ７１が作動され、加工領域３２内の気体が吸引される。そして、これに伴い、主に加工領域３２内の圧力が低下するとともに、負圧ポンプ７１の吐出口７１ｂからフィルタ７３を介してガス噴射部７２に、負圧ポンプ７１で吸入された気体（ガス）が正圧で供給される。これにより、ガス噴射部７２から、光学装置格納領域３１の内部に気体（ガス）が吐出される。

なお、このとき、負圧ポンプ７１の吸引作用によって、加工領域３２内の圧力は低下している。このため、必然的に、光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過して加工領域３２に向かう気体の流れは生じ易い。従って、ガス噴射部７２から気体を吐出することにより、さらに良好なガスの流れが形成できる。

このため、加工領域３２内の気体が流れに逆らって逆流し、光ビーム連通路４０を通過して光学装置格納領域３１に向って移動する虞は低い。これにより、近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２を、薄膜層１５ａの表面に照射した際に発生するスパッタやヒューム等が光学装置格納領域３１に移動し、ガルバノスキャナ装置５０が備える光学系部品（第一光学系５１及び第二光学系５２）を汚染することを効果的に抑制する。

また、このとき、図２に示すように、区画部３０の上面における光ビーム連通路４０の光学装置格納領域３１側の外周縁のうち、ガス噴射部７２が配置される側とは反対側の外周縁にはガイド部８０が設けられている。これにより、ガス噴射部７２（ガス吐出装置７０）から光学装置格納領域３１内に吐出したガス（気体）は、ガイド部８０に衝突後、誘導され、さらに効果的に光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過して加工領域３２に流れ込むことができ、上記効果をさらに確実なものとすることができる。

（１−４．その他）
なお、上記実施形態では、ガイド部８０を設けたがこの態様には限らない。ガイド部８０はなくてもよい。これによっても相応の効果は得られる。

また、上記実施形態では、区画部３０に光ビーム連通路４０を一つだけ設けた。そして、重畳されワーク配置部６０（照射領域Ａｒ１）に向けて照射される近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２と、シールドガスＳＧとを光ビーム連通路４０に同時に通過させた。しかしこの態様には限らない。図４の変形態様１に示すように、区画部３０Ａに光ビーム連通路４０以外の連通路であるガス連通路９０を光ビーム連通路４０とは別に独立して設けても良い。

これにより、ガス連通路９０は、ガルバノスキャナ装置５０の配置位置や近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２の照射位置に規制されることなく自由に設定できる。なお、このとき、ガス噴射部７２からシールドガスＳＧを吐出する噴射方向Ｐを変更してもよい（図４参照）。このため、ガス噴射部７２が光学装置格納領域３１内に吐出したシールドガスＳＧが加工領域３２に向って最も効率よく流れる位置及び形状となるようガス連通路９０を自由に形成できるので、光学装置格納領域３１内の光学系部品に対する汚染防止について高い効果が期待できる。

ただし、このとき、光ビーム連通路４０には、シールドガスＳＧが通過しても、通過しなくても良い。シールドガスＳＧが光ビーム連通路４０を通過しない場合には、ガス連通路９０を通過して加工領域３２に流入したシールドガスＳＧの流れによりエアカーテンを形成して光ビーム連通路４０の加工領域３２側の開口を塞ぎ、加工領域３２のスパッタ等が光ビーム連通路４０を通過し光学装置格納領域３１に到達することを防止する。

また、上記実施形態の光ビーム連通路４０に、駆動機構（図略）を有する開閉扉（図略）を設けても良い。開閉扉の駆動機構は、制御部１４０によって制御される。制御部１４０は、加工中において、光学装置格納領域３１から加工領域３２に照射される近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２の照射を妨げないように、開閉扉を開いた状態に制御する。これにより、近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２が、光ビーム連通路４０を通過可能となる。一方、制御部１４０は、加工終了後において例えばワークを取り出す際など、加工領域３２を外部に開放する際には、開閉扉を閉じた状態に制御する。これにより、外気が光ビーム連通路４０を通過出来ない状態とし、光学装置格納領域３１内に外気が侵入することを防止できる。

また、上記実施形態では、ガス吐出装置７０のガス噴射部７２がシールドガスＳＧを光学装置格納領域３１内に吐出するよう構成された。しかし、この態様には限らない。図５の変形態様２に示すように、ガス吐出装置７０Ａのガス噴射部７２Ａが加工領域３２内に直接、シールドガスＳＧを吐出するように構成してもよい。この場合、シールドガスＳＧは、光ビーム連通路４０は通過しない。シールドガスＳＧは、エアカーテンのように光ビーム連通路４０の加工領域３２側の開口を塞ぐことで、加工領域３２のスパッタ等が光学装置格納領域３１に到達することを防止する。

また、上記第一実施形態の変形例として、図６の変形態様３に示すように、ガス吐出装置７０に、光学装置格納領域３１内に吐出するガスを冷却するためのガス冷却機７４を設けても良い。ガス冷却機７４は制御部１４０によって制御される。詳細には、制御部１４０は、光学装置格納領域３１内の雰囲気温度を図略の温度計により把握する。そして、制御部１４０は、ガス吐出装置７０（ガス噴射部７２）が光学装置格納領域３１内に吐出するシールドガスＳＧの温度が、光学装置格納領域３１内の雰囲気温度よりも低くなるようガス冷却機７４を制御する。これにより、光学装置格納領域３１内のレンズ等の過熱が抑制され、過熱により発生するレンズ等の変形が防止でき、品質の良い近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２による加工が維持できる。

（１−５．実施形態による効果）
上記実施形態の重畳光ビーム加工装置１０によれば、ガルバノスキャナ装置５０が、近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）重畳し光学装置格納領域３１から加工領域３２に向かって照射する際、ガス吐出装置７０が、加工領域３２内の気体が光学装置格納領域３１に移動しないようシールドガスＳＧをチャンバ２０の外部から加工領域３２の内部に向って吐出する。

このように、シールドガスＳＧがチャンバ２０の外部から加工領域３２の内部に向って吐出する。このため、光ビーム連通路４０に保護ガラスを設けなくても、近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）の照射時において、加工領域３２における金属粉末１５の薄膜層１５ａ（ワーク）で発生したスパッタ等が、光ビーム連通路４０を通過して光学装置格納領域３１に移動することが抑制される。

これにより、光学装置格納領域３１内に配置される光学装置（ガルバノスキャナ装置５０等）がスパッタ等によって汚染されることはない。よって、重畳され照射された近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）は、エネルギーが損失されることなく、薄膜層１５ａ（ワーク）の所定の位置に精度よく同軸で照射されるので、高品質な積層造形物が得られる。

また、上記実施形態の重畳光ビーム加工装置１０によれば、ガス吐出装置７０は、シールドガスＳＧを、チャンバ２０の外部から光学装置格納領域３１の内部に吐出し、光ビーム連通路４０は、光学装置格納領域３１に吐出されたシールドガスＳＧを通過させ、シールドガスＳＧを加工領域３２の内部に流動させる。このように、光学装置格納領域３１の内部に吐出されたシールドガスＳＧが、光ビーム連通路４０を通過して加工領域３２に流入することにより、光学装置格納領域３１から加工領域３２に向かう気体の流れを形成する。これにより、加工領域３２から光学装置格納領域３１に向かう流れ（逆流）の発生を確実に防止できるので、光学装置格納領域３１内に配置される光学装置（ガルバノスキャナ装置５０等）が汚染される虞はない。

また、上記実施形態の重畳光ビーム加工装置１０によれば、ガス吐出装置７０は、シールドガスＳＧを、チャンバ２０の外部から光学装置格納領域３１の内部に吐出し、重畳光ビーム加工装置１０は、区画部３０に光ビーム連通路４０とは独立して形成され、光学装置格納領域３１に吐出されたシールドガスＳＧを通過させ、シールドガスＳＧを加工領域３２の内部に流動させるガス連通路９０を備える。

これにより、上記で説明したとおり、ガス連通路９０は、ガルバノスキャナ装置５０の配置位置や近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２の照射位置に規制されることなく自由に設定できる。このため、ガス噴射部７２が光学装置格納領域３１内に吐出したシールドガスＳＧが加工領域３２に向って最も効率よく流れる位置及び形状となるようガス連通路９０を自由に形成できるので、光学装置格納領域３１内の光学系部品に対する汚染防止について高い効果が期待できる。

また、上記実施形態の重畳光ビーム加工装置１０によれば、ガス吐出装置７０，７０Ａは、シールドガスＳＧをチャンバ２０の外部から加工領域３２の内部に向って吐出するガス噴射部７２，７２Ａと、加工領域３２の内部に吐出したシールドガスＳＧ又は加工領域３２の内部の気体を吸引するとともに、吸引したシールドガスＳＧ又は気体をガス噴射部７２，７２Ａに供給しシールドガスＳＧとして加工領域３２の内部に向って吐出させる負圧ポンプ７１と、を備える。このような構成により、ガス噴射部７２，７２Ａ→加工領域３２→負圧ポンプ７１を通るシールドガスＳＧ又は気体の流れができるので、加工領域３２から光ビーム連通路４０を通過して光学装置格納領域３１に向かう流れ（逆流）の発生を良好に防止できる。

また、上記実施形態の重畳光ビーム加工装置１０によれば、光ビーム連通路４０には、シールドガスＳＧがチャンバ２０の外部から光学装置格納領域３１の内部に吐出されたのち、光ビーム連通路４０を通過し加工領域３２の内部に向って流動されるよう、シールドガスＳＧの流れを誘導するガイド部８０が備えられる。これにより、ガス噴射部７２（ガス吐出装置７０）から光学装置格納領域３１内に吐出したガス（気体）は、ガイド部８０に衝突後、ガイド部８０に誘導され、さらに効果的に光学装置格納領域３１から光ビーム連通路４０を通過して加工領域３２に流れ込むことができ、上記効果をさらに確実なものとすることができる。

また、上記実施形態の重畳光ビーム加工装置１０によれば、チャンバ２０の外部から光学装置格納領域３１の内部に吐出されるシールドガスＳＧの温度は、光学装置格納領域３１内の雰囲気温度よりも低くなるよう制御される。これにより、光学装置格納領域３１内のレンズ等の過熱が抑制され、過熱により発生するレンズ等の変形が防止でき、品質の良い近赤外レーザ光Ｌ１及び短波長レーザ光Ｌ２による加工が維持できる。

また、上記実施形態の重畳光ビーム加工装置１０によれば、第一光ビームは、近赤外レーザ光Ｌ１であり、第二光ビームは、近赤外波長より短い短波長の短波長レーザ光Ｌ２である。そして、ワークは、常温時における近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が所定の値以下である低吸収率材料の銅の金属粉末１５（薄膜層１５ａ）である。

重畳光ビーム加工装置１０は、重畳された近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）の照射によって金属粉末１５を溶融させたのち固化させ積層造形する。このように、近赤外レーザ光Ｌ１の吸収率が低い銅の金属粉末１５に重畳した近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）及び短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）を照射することにより、常温時には、短波長レーザ光Ｌ２（第二光ビーム）の作用によって、金属粉末１５（薄膜層１５ａ）が良好に昇温する。

また、金属粉末１５（薄膜層１５ａ）が昇温し高温になれば、銅に対する近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）の吸収率が向上する。このため、本来、出力が大きな近赤外レーザ光Ｌ１（第一光ビーム）によって、金属粉末１５（薄膜層１５ａ）が速やかに昇温し、安定して溶融される。これにより、相対密度が高く高強度の積層造形物が得られる。

１０；重畳光ビーム加工装置、 １５；金属粉末（ワーク）、 ２０；チャンバ、 ３０；区画部、 ３１；光学装置格納領域、 ３２；加工領域、 ４０；光ビーム連通路、 ５０；ガルバノスキャナ装置、 ５３；ダイクロイックミラー、 ５４；ガルバノスキャナ、 ６０；ワーク配置部、 ７０；ガス吐出装置、 ７１；負圧ポンプ、 ７２；ガス噴射部、 ７４；ガス冷却機、 ８０；ガイド部、 ９０；ガス連通路、 １００；積層造形物製造装置、 １４０；制御部、 Ｌ１；近赤外レーザ光（第一光ビーム）、 Ｌ２；短波長レーザ光（第二光ビーム）、 ＳＧ；シールドガス。

Claims (7)

1. 異なる波長を有する第一光ビーム及び第二光ビームを同軸に重畳してワークに照射し前記ワークを加工する重畳光ビーム加工装置であって、
   前記ワークに前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを重畳して照射するガルバノスキャナ装置と、
   前記ワークが配置されるワーク配置部と、
   前記ガルバノスキャナ装置が格納される光学装置格納領域及び前記ワーク配置部が格納される加工領域を備え、外気と内気との遮断が可能なチャンバと、
   前記チャンバ内において、前記光学装置格納領域と前記加工領域とを区画する区画部と、
   前記区画部に形成され、前記光学装置格納領域から前記加工領域の前記ワークに向かい重畳して照射される前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを通過させ、前記ワークに直接照射可能とする光ビーム連通路と、
   前記ガルバノスキャナ装置が、前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを重畳し前記光学装置格納領域から前記加工領域に向かって照射する際、前記加工領域内の気体が前記光学装置格納領域に移動しないようシールドガスを前記チャンバの外部から前記加工領域の内部に向って吐出するガス吐出装置と、
   を備えた重畳光ビーム加工装置。
2. 前記ガス吐出装置は、前記シールドガスを、前記チャンバの前記外部から前記光学装置格納領域の内部に吐出し、
   前記光ビーム連通路は、前記光学装置格納領域に吐出された前記シールドガスを通過させ、前記シールドガスを前記加工領域の前記内部に流動させる、請求項１に記載の重畳光ビーム加工装置。
3. 前記ガス吐出装置は、
   前記シールドガスを前記チャンバの前記外部から前記加工領域の前記内部に向って吐出するガス噴射部と、
   前記ガス噴射部が前記加工領域の前記内部に吐出した前記シールドガス又は前記加工領域の前記内部の前記気体を吸引するとともに、吸引した前記シールドガス又は前記気体を前記ガス噴射部に供給し前記シールドガスとして前記加工領域の前記内部に向って吐出させる負圧ポンプと、
   を備える、請求項１又は２に記載の重畳光ビーム加工装置。
4. 前記光ビーム連通路は、前記シールドガスが前記チャンバの前記外部から前記光学装置格納領域の前記内部に吐出されたのち、前記光ビーム連通路を通過し前記加工領域の前記内部に向って流動されるよう、前記シールドガスの流れを誘導するガイド部を備える、請求項２に記載の重畳光ビーム加工装置。
5. 前記チャンバの前記外部から前記光学装置格納領域の前記内部に吐出される前記シールドガスの温度は、前記光学装置格納領域内の雰囲気温度よりも低くなるよう制御される、請求項２又は４に記載の重畳光ビーム加工装置。
6. 前記第一光ビーム及び前記第二光ビームの一方は近赤外波長のレーザ光であり、他方は前記近赤外波長より短い短波長のレーザ光であり、
   前記ワークは、常温時における前記近赤外波長のレーザ光の吸収率が所定の値以下である低吸収率材料の金属粉末であり、
   前記重畳光ビーム加工装置は、
   重畳された前記第一光ビーム及び前記第二光ビームの照射によって前記金属粉末を溶融させたのち固化させ積層造形する、請求項１−５の何れか１項に記載の重畳光ビーム加工装置。
7. 請求項１−６の何れか１項に記載の重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法であって、
   前記ガルバノスキャナ装置が、前記第一光ビーム及び前記第二光ビームを重畳し前記光学装置格納領域から前記加工領域に向かって照射し、
   同時に前記ガス吐出装置が、前記加工領域内の気体が前記光学装置格納領域に移動しないよう前記チャンバの前記外部から前記シールドガスを前記加工領域の前記内部に向って吐出する、重畳光ビーム加工装置を用いた加工方法。

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