JP2019098374A - レーザ積層造形装置及びレーザ積層方法 - Google Patents

レーザ積層造形装置及びレーザ積層方法 Download PDF

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Abstract

【課題】、高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を高効率に行うことができるレーザ積層造形装置及びレーザ積層方法を提供する。【解決手段】 回折光学素子１２により光強度分布が変換されたレーザ光Ｌを照射領域Ｓに照射する照射部１０、及び照射領域Ｓに粉末材料をＰ供給する材料供給部２０を有するヘッド３０と、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、を備え、照射領域Ｓにおいて、照射光Ｌにより、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成され、材料供給部２０により、略円形スポット内に粉末材料Ｐが供給されるレーザ積層造形装置２及びこのレーザ積層方法を提供する。【選択図】図１

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、被加工物上に積層を行うレーザ積層造形装置及びレーザ積層方法に関する。
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、被加工物上に積層を行うレーザ積層が普及しはじめている。このとき、通常のレーザ光は、照射領域での光強度がガウス分布となっているので、レーザ光の中央部のエネルギ強度が高くなっている。よって、レーザ光により材料が溶融して形成された溶融池は、中央部の温度が周囲部の温度に比べて高い不均一な温度分布となる。このため、積層部分に凝固割れ等が発生する可能性がある。
これに対処するため、集光するエネルギ強度分布が均一な所謂トップハット型の光強度分布を有するレーザ光を被加工物に照射するレーザ肉盛り溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のレーザ肉盛り溶接装置では、被加工物へのレーザ光の照射により、トップハット型の光強度分布を有する略円形スポットを形成する。このとき、一定の方向に走査した場合、中央部での積算熱量が多いため、中央部の温度上昇が生じる。そのため、複数回数往復する連続積層の場合、溶融池中央部と周辺部の温度差は更に大きくなる。よって、溶融池中央部及び周辺部の温度差による金属粉末の溶融速度の違い、溶融金属の冷却速度の違いにより、空孔が発生したり、残留応力の発生する可能性があり、品質が低下する問題が生じる。
更に、トップハット型の光強度分布であっても、レーザ光のエネルギ密度が高い場合には、供給される金属粉末が、溶融池に投入する直前にレーザ光に照射され、そのとき時発生するプラズマによりレーザ光が遮断されて、溶融池サイズが変化し均一な積層ができないという問題点も生じる。
本発明の目的は、上記の問題を解決するものであり、高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を高効率に行うことができるレーザ積層造形装置及びレーザ積層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の本開示の１つの態様に係るレーザ積層造形装置は、
回折光学素子により光強度分布が変換された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粉末材料を供給する材料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、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成され、
前記材料供給部により、前記略円形スポット内に前記粉末材料が供給されるようになっている。
本開示の１つの態様に係るレーザ積層方法は、
レーザ光を回折光学素子に入射させる工程と、
ヘッドから照射領域に前記回折光学素子で光強度分布が変換されたレーザ光を照射する工程と、
前記ヘッドから前記照射領域に粉末材料を供給する工程と、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる工程と、
を含み、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットを形成し、
前記ヘッドから前記略円形スポット内に前記粉末材料を供給するようになっている。
上記態様によれば、高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を高効率に行うことができるレーザ積層造形装置及びレーザ積層方法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。 被加工物に照射するレーザ光の光強度分布を模式的に示すグラフである。 １つの実施形態に係るレーザ積層造形装置、レーザ積層方法により被加工物にレーザ光及び粉末材料を供給する態様を模式的に示す図である。 コリメートレンズからレーザ光を回折光学素子に入射させる態様の一例を模式的に示す図である。 本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。 本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。 レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行うところを模式的に示す斜視図である。 ガウス分布、トップハット形及びドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査した場合の照射領域の温度分布を示す図である。
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から図４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２は、被加工物に照射するレーザ光の光強度分布を模式的に示すグラフである。図３は、１つの実施形態に係るレーザ積層造形装置、レーザ積層方法により被加工物にレーザ光及び粉末材料を供給する態様を模式的に示す図である。図４は、コリメートレンズからレーザ光を回折光学素子に入射させる態様の一例を模式的に示す図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るレーザ積層造形装置２は、回折光学素子１２により光強度分布が変換されたレーザ光Ｌを照射領域Ｓに照射する照射部１０、及び照射領域Ｓに粉末材料Ｐを供給する材料供給部２０を有するヘッド３０を備える。回折光学素子は、ＤＯＥ(Diffractive Optical Element)とも称される光の回折を利用した光学部材である。
照射領域Ｓにおいて、照射部１０からの照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成される。
また、材料供給部２０により、この略円形スポット内に粉末材料が供給されるようになっている。
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を備える。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が移動せず、披加工物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、光ファイバ５２により伝送されたレーザ光が入射し、平行光を回折光学素子（ＤＯＥ）１２に出射するコリメートレンズ１４と、回折光学素子（ＤＯＥ）１２から出射された光を照射領域Ｓに集光する集光レンズ１６とを備える。
光ファイバ５２は、入力端がレーザ光源装置５０に接続され、出射端５２Ａからレーザ光をコリメートレンズ１４に出射する。本実施形態に係るレーザ光源装置５０は、マルチモードレーザ装置であり、具体的には、イッテルビウムイオン（Yb3+）を添加した石英ファイバをレーザ媒体とするイッテルビウムファイバレーザを採用している。本実施形態に係るレーザ光源装置５０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５０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５０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。
光ファイバ５２は、ファイバレーザであるレーザ光源装置５０の出射径に合わせて、光ファイバ径が０．３ｍｍのものを用いてある。光ファイバ５２の中で、レーザ光源装置５０から出射されたレーザ光は、コアの中を進む間に、非コヒーレントな高出力レーザ光として、光ファイバ５２の出射端５２Ａから出射される。なお、光ファイバ径は上記に限られるものではなく、レーザ光源装置５０の出力径に応じて、任意の値を採用することができる。
レーザ光源装置５０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５０が移動しない場合には、光ファイバ５２により、レーザ光源装置５０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。
本実施形態に係るコリメートレンズ１４は、光ファイバ５２の出射端５２Ａから出射されるレーザ光を平行光にして、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射させる。
本実施形態に係る回折光学素子（ＤＯＥ）１２としては、例えば石英基板で形成され、基板上にフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術とを用いて、凹凸パターンが加工されたものを使用することができる。凹凸パターンが形成された回折光学素子（ＤＯＥ）１２に平行ビームを照射すると、その凹凸パターンに応じた光強度分布を有する回折像を得ることができる。回折光学素子（ＤＯＥ）１２の基板表面には、均一な温度分布を形成する光強度分布を有する回折像を得るための凹凸パターンが形成されている。
レーザ光源装置５０から出射されたレーザ光は、図２（ａ）に示すようなガウス分布の光強度分布を有する。本実施形態に係る回折光学素子（ＤＯＥ）１２は、ガウス分布の光強度分布を有するレーザ光が入射すると、図２（ｂ）に示すような光強度が一様になった所謂トップハット形の光強度分布のレーザ光を出射するように回折格子パターンが形成されている。
例えば、光ファイバ５２からのレーザ光がコリメートレンズ１４に入射して、直径１０ｍｍの平行光にコリメートされる。これにより、直径１０ｍｍのレーザ光が回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射し、回折光学素子（ＤＯＥ）１２から出射された光が集光レンズ１６に入射する。そして、集光レンズ１６から、照射径が４ｍｍのレーザ光が照射領域Ｓに照射されるようになっている。つまり、コリメートレンズ１４からの出射光は、４倍に拡大されて照射領域Ｓに照射されるようになっている。ただし、この倍率は、必要とされる照射径に応じて任意の値を採用することができる。
本実施形態に係る照射部１０では、図４に示すように、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面より大きくなるように、コリメートレンズ１４が配置されている。このような配置により、回折光学素子（ＤＯＥ）１２が、図２（ａ）に示すようなガウス分布のレーザ光が入射すると、図２（ｂ）に示すようなトップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを用いた場合であっても、図２（ｃ）に示すような外周部Ｘ１が中央部Ｘ２より光強度が強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する光強度分布を有するレーザ光を出射することができる。このような”外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有する光強度分布”を、”ドッグイヤー形の光強度分布”と称することもできる。
なお、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１及び中央部Ｘ２の光強度Ｙ２の比率については、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径及び回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径の比率（つまりコリメートレンズ１４の位置）によって、所望の比率を設定することができる。
基本的に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が大きければ、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が大きくなる。逆に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が小さければ、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が小さくなる。
以上のように、回折光学素子（ＤＯＥ）１２がトップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを有し、コリメートレンズ１４から出射される光の光径を回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面より大きくすることにより、複雑な光学系を用いることなく、外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を得ることができる。
ただし、これに限られるものではなく、図２（ａ）に示すようなガウス分布のレーザ光が入射すると、図２（ｃ）に示すような外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有するドッグイヤー形の光強度分布を形成する回折パターンを有する回折光学素子（ＤＯＥ）１２を用いることもできる。この場合には、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面内に収まるようにすることができる。
ただし、これに限られるものではなく、ドッグイヤー形の光強度分布を形成する回折パターンを有する回折光学素子（ＤＯＥ）１２に対して、入射するレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径より大きくなるようにすることにより、より外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率を大きくなった光強度分布を得ることもできる。
このように形成されたドッグイヤー形の光強度分布を有するレーザ光が、集光レンズ１６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。このことを図３に模式的に示す。後述するように 材料供給部２０により、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１が中央部Ｘ２の光強度Ｙ２より強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポットＳ１内に、粉末材料Ｐが供給されるようになっている。なお、ここでいう”略円形”には、真円だけでなく、長円形・楕円形、卵形も含まれる。
＜材料供給部２０＞
材料供給部２０ついて更に詳細に述べれば、貯蔵部２２に貯蔵された粉末材料が、キャリアガスとともに、供給管２４内を流れて、材料供給部２０の吹出ノズル２６から照射領域Ｓに供給される。粉末材料としては、ステンレス鋼、ニッケル基合金（インコネル）、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。
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。
図１（ａ）の矢視Ａ−Ａ図である図１（ｂ）に示すように、吹出ノズル２６には、８つの吹出口２６Ａが、照射部の照射用開口の周囲、つまり、照射部１０の集光レンズ１６の外径の外側に配置されている。これらの吹出口２６Ａから、粉末材料Ｐが照射領域Ｓに供給される。ただし、吹出口２６Ａの数は８に限られるものではなく、その他の任意の数の吹出口２６Ａを設けることができる。
貯蔵部２２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２２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２２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。
上記のように本実施形態では、材料供給部２０の吹出ノズル２６の吹出口２６Ａが、照射部１０の集光レンズ１６の外径の外側に配置されているので、集光レンズ１６から照射部Ｓへ照射されるレーザ光の外側から、照射領域Ｓの略円形スポットＳ１内に粉末材料が供給されるようになっている。つまり、図３に示すように、材料供給部２０により、集光レンズ１６の外側から、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ中央部も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポット内に粉末材料が供給されるようになっている。
よって、粉末材料が溶融池Ｍに到達する前にプラズマが生じてレーザ光が遮断されることはない。また、光学系（集光レンズ１６等）に穴をあけて材料の供給口を設ける必要がないので、製造コストが低減でき、光学系の信頼性も高まる。
＜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、披加工物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。
（１つの実施形態に係るレーザ積層方法）
次に、図１から図４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方法について、簡略に説明する。
まず、被加工物６０を、レーザ加工装置２のテーブル上に載置し、積層を行う領域が集光レンズ１６の焦点近傍にくるように、被加工物６０の位置及び高さを調整する。続いて、レーザ光源装置５０を作動させ、光ファイバ５２、コリメートレンズ１４、回折光学素子（ＤＯＥ）１２、及び集光レンズ１６を通過した高出力レーザ光を照射し、照射領域Ｓがドッグイヤー形の光強度分布のレーザ光で加熱されるようにする。その状態で、粉末材料Ｐを、照射領域Ｓに形成される略円形スポット内に供給し、ヘッド３０を移動して走査を開始する。以上のようなレーザ積層方法により、レーザ光が通過した後の累積照射熱量が位置によらず一定になるため、積層された材料は均一加熱され自然冷却により固化する。照射領域Ｓでは、以上の手順により積層が行われる。
以上のように、本実施形態に係るレーザ積層造形装置２では、
回折光学素子（ＤＯＥ）１２により光強度分布が変換されたレーザ光Ｌを照射領域Ｓに照射する照射部１０、及び照射領域Ｓに粉末材料Ｐを供給する材料供給部２０を有するヘッド３０と、
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、
を備え、
照射領域Ｓにおいて、
照射光Ｌにより、外周部Ｘ１の光強度が中央部Ｘ２の光強度より強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポットＳ１が形成され、
材料供給部２０により、略円形スポットＳ１内に粉末材料が供給されるようになっている。
同様に、本実施形態に係るレーザ積層方法では、
レーザ光を回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射させる工程と、
ヘッド３０から照射領域Ｓに回折光学素子（ＤＯＥ）１２で光強度分布が変換されたレーザ光Ｌを照射する工程と、
ヘッド３０から照射領域Ｓに粉末材料Ｐを供給する工程と、
ヘッド３０及び被加工物６０を相対的に移動させる工程と、
を含み、
照射領域Ｓにおいて、
照射光Ｌにより、外周部Ｘ１の光強度が中央部Ｘ２の光強度より強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する光強度分布を有する（ドッグイヤー形の）略円形スポットＳ１を形成し、
ヘッド３０から略円形スポットＳ１内に粉末材料Ｐを供給するようになっている。
レーザ積層においては、ヘッドにより、照射領域にレーザ光を照射しながら粉末材料を供給することにより、材料の溶融池が形成される。この状態で、移移動機構により、ヘッド及び被加工物を相対的に移動させると、移動方向に延びた溶融池が形成される。
このとき、照射領域に照射されるレーザ光が、ガウス分布やトップハット形の光強度分布を有する略円形スポットの場合、中央部の累積熱量が外周部の累積熱量に比べて大きくなり、溶融池は、中央の温度が高く、外周部の温度が低い不均一な温度分布を有するようになる。
よって、ヘッドを被加工物に対して走査する連続積層の場合、溶融池中央部での温度上昇による金属粉末の溶融速度の違い、溶融金属の冷却速度の違いによる空孔の発生や残留応力の発生という問題が生じる。更に、高エネルギ密度のレーザ光の場合、粉末材料が溶融池に投入する直前にレーザ光に照射され、その時発生するプラズマによりレーザ光が遮断され、溶融池サイズが変化し均一な積層ができないという問題も生じる。
本実施形態に係るレーザ積層造形装置２及びレーザ積層方法においては、照射光Ｌが、外周部Ｘ１が中央部Ｘ２より光強度が強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポットＳ１を形成するので、中央部Ｘ２の累積熱量と外周部Ｘ１の累積熱量をより均一にでき、溶融池Ｍの中央部及び外周部の間の温度差を抑制できる。
よって、ヘッドを被加工物６０に対して走査する高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を実現できる。更に、照射光の略円形スポットＳ１内に粉末材料Ｐが供給されるので、プラズマによりレーザ光が遮断される問題も抑制でき、高効率な積層を実現できる。
以上のように本実施形態に係るレーザ積層造形装置２では、高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を高効率に行うことができる。
仮に、照射領域Ｓに照射するレーザ光の光強度分布において、中央部の光強度が限りなくゼロに近くなると、逆に、中央部の累積熱量が外周部の累積熱量に比べて小さくなり、溶融池は不均一な温度分布を有するようになる。ここで、中央部Ｘ２の光強度Ｙ２の外周部Ｘ１の光強度Ｙ１に対する比率Ｒとすると、Ｒ＝Ｙ２／Ｙ１で示される。
様々なシミュレーション結果に基づくと、Ｒの値が、８％以上４０％以下の光強度分布を有することが好ましく、１０％以上３０％以下の光強度分布を有することが更に好ましいことが判明した。このような光強度分布の範囲により、均一で高品位なレーザ積層を確実に実行することができる。
（その他の実施形態に係るレーザ積層造形装置）
次に、図５を参照しながら、本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図５は、 本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。
本実施形態における照射部１０では、コリメートレンズ１４が光軸方向に移動可能になっている。
本実施形態では、光ファイバ５２の出力端５２Ａに光を広げて出射する面を有するレンズ１８（例えば凸レンズ）を備えている。このような構成において、コリメートレンズ１４をレンズ１８から離間させる（回折光学素子（ＤＯＥ）１２に近づける）ように移動させることにより、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径を大きくすることができる。一方、コリメートレンズ１４をレンズ１８に近づける（回折光学素子（ＤＯＥ）１２から離間させる）ように移動させることにより、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径を小さくすることができる。以上のように、コリメートレンズ１４を光軸方向に移動させることにより、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径を変化させることができる。
上記のように、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面より大きくなるようにすることにより、トップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを用いた場合であっても、外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有するレーザ光を形成することができる。本実施形態では、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率を変更できるので、これによりドッグイヤー形の光強度分布のプロファイルを変更することができる。
基本的に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径が大きくなれば（つまり、入射光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が大きくなれば）、照射領域Ｓにおける光強度分布において、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が大きくなる。逆に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光のレーザ光の光径が小さくなれば（つまり、入射光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が小さくなれば）、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が小さくなる。
以上のように、本実施形態では、コリメートレンズ１４を光軸方向に移動させる簡易な機構で、照射されるレーザ光の光強度分布のプロファイルを容易に変更することができる。
コリメートレンズ１４を光軸方向に移動させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ１４の移動を行う場合には、積層工程の条件の変化に応じて、コリメートレンズ１４の位置変更を自動制御することもできる。
（更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置）
次に、図６及び図７を参照しながら、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図６は、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。図７は、レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行うところを模式的に示す斜視図である。
図７に示すように、レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行う場合、左右対称のドッグイヤー形の光強度分布のレーザ光を照射した場合、コーナ内側の累積熱量がコーナ外側の累積熱量に比べて大きくなり、溶融池は、コーナ内側の温度が高く、コーナ外側の温度が低い不均一な温度分布を有するようになる。
これに対処するため、本実施形態では、図６に示すように、コリメートレンズ１４の光軸を回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の法線方向から傾斜させることができるようになっている。これにより、光軸に対して非対称なドッグイヤー形の光強度分布を形成することができる。つまり、コーナ部の内側の光強度が外側の光強度より弱い非対称な温度分布を形成することができる。
入射面の法線方向から傾斜させる角度θによって、非対称の度合いを任意に調整することができる。また、入射面の法線方向に対して、コリメートレンズ１４の光軸を両方向（＋θ〜−θ）に傾斜させることができるので、時計回り、反時計周り任意の向きのコーナ部の積層に対応することができる。
以上のように、コリメートレンズ１４を傾ける簡易な機構で、照射光において、光軸に対して非対称な光強度分布を形成することができるので、コーナ部の内側の光強度が外側の光強度より弱い非対称な温度分布を形成することができ、コーナ部の内外の間の温度差を効果的に抑制できる。
コリメートレンズ１４を回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の法線方向から傾斜させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ１４を傾斜させる場合には、例えば、走査工程においてコーナ部に到達したときにコリメートレンズ１４を自動的に傾斜させ、コーナ部を通過したところで自動的に元に戻す自動制御を行うこともできる。
（実施例）
次に、図８を参照しながら、（ａ）ガウス分布の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、（ｂ）トップハット形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、及び（ｃ）上記の実施形態のように、ドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布のシミュレーション結果を説明する。図８は、ガウス分布、トップハット形及びドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査した場合の照射領域の温度分布を示す図である。走査した場合の照射領域において、色の濃い部分の温度が高く、薄い部分の温度が低くなっている
図８（ａ）に示すように、ガウス分布の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合には、照射領域において、中央部の温度に比べて周辺部の温度がかなり低くなっている。図８（ｂ）に示すように、トップハット形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合には、ガウス分布の場合に比べて、照射領域において、中央部及び周辺部の温度差が小さくなっているが、依然として、中央部の温度に比べて周辺部の温度が低くなっている。
ドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査する場合においては、中央部の光強度が外周部の光強度の１０％以上３０％以下である光強度分布を有するレーザ光を照射した場合のシミュレーションを行った。このレーザ光を照射しながら走査することにより、図８（ｃ）に示すように、照射領域において、中央部及び周辺部の温度がほぼ均一になった温度分布が得られることが判明した。これにより、被加工物に照射される熱量が均一で、溶融池の温度が均一な加熱が行なわれることが実証された。よって、空孔が少なく残留応力が小さい均一なレーザ積層が行われることになる。
以上のように、実際にレーザ積層のシミュレーションを行うことにより、上記の本発明の実施形態に係るレーザ積層造形装置２及びレーザ積層方法により奏する作用効果が実証された。
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 回折光学素子
１４ コリメートレンズ
１６ 集光レンズ
１８ レンズ
２０ 材料供給部
２２ 貯蔵部
２４ 供給管
２６ 吹出ノズル
２６Ａ 吹出口
３０ ヘッド
４０ 移動機構
４２ アクチュエータ
５０ レーザ光源装置
５２ 光ファイバ
５２Ａ 出力端
６０ 披加工物
Ｓ 照射領域
Ｓ１ 略円形スポット
Ｌ レーザ光
Ｐ 粉末材料
Ｍ 溶融池
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、被加工物上に積層を行うレーザ積層造形装置及びレーザ積層方法に関する。
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、被加工物上に積層を行うレーザ積層が普及しはじめている。このとき、通常のレーザ光は、照射領域での光強度がガウス分布となっているので、レーザ光の中央部のエネルギ強度が高くなっている。よって、レーザ光により材料が溶融して形成された溶融池は、中央部の温度が周囲部の温度に比べて高い不均一な温度分布となる。このため、積層部分に凝固割れ等が発生する可能性がある。
これに対処するため、集光するエネルギ強度分布が均一な所謂トップハット型の光強度分布を有するレーザ光を被加工物に照射するレーザ肉盛り溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５−１５５１１０号公報
特許文献１に記載のレーザ肉盛り溶接装置では、被加工物へのレーザ光の照射により、トップハット型の光強度分布を有する略円形スポットを形成する。このとき、一定の方向に走査した場合、中央部での積算熱量が多いため、中央部の温度上昇が生じる。そのため、複数回数往復する連続積層の場合、溶融池中央部と周辺部の温度差は更に大きくなる。よって、溶融池中央部及び周辺部の温度差による金属粉末の溶融速度の違い、溶融金属の冷却速度の違いにより、空孔が発生したり、残留応力の発生する可能性があり、品質が低下する問題が生じる。
更に、トップハット型の光強度分布であっても、レーザ光のエネルギ密度が高い場合には、供給される金属粉末が、溶融池に投入する直前にレーザ光に照射され、そのとき時発生するプラズマによりレーザ光が遮断されて、溶融池サイズが変化し均一な積層ができないという問題点も生じる。
本発明の目的は、上記の問題を解決するものであり、高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を高効率に行うことができるレーザ積層造形装置及びレーザ積層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の本開示の１つの態様に係るレーザ積層造形装置は、
回折光学素子により光強度分布が変換された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粉末材料を供給する材料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、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成され、
前記材料供給部により、前記略円形スポット内に前記粉末材料が供給されるようになっている。
本開示の１つの態様に係るレーザ積層方法は、
レーザ光を回折光学素子に入射させる工程と、
ヘッドから照射領域に前記回折光学素子で光強度分布が変換されたレーザ光を照射する工程と、
前記ヘッドから前記照射領域に粉末材料を供給する工程と、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる工程と、
を含み、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットを形成し、
前記ヘッドから前記略円形スポット内に前記粉末材料を供給するようになっている。
上記態様によれば、高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を高効率に行うことができるレーザ積層造形装置及びレーザ積層方法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。 被加工物に照射するレーザ光の光強度分布を模式的に示すグラフである。 １つの実施形態に係るレーザ積層造形装置、レーザ積層方法により被加工物にレーザ光及び粉末材料を供給する態様を模式的に示す図である。 コリメートレンズからレーザ光を回折光学素子に入射させる態様の一例を模式的に示す図である。 本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。 本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。 レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行うところを模式的に示す斜視図である。 ガウス分布、トップハット形及びドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査した場合の照射領域の温度分布を示す図である。
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から図４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２は、被加工物に照射するレーザ光の光強度分布を模式的に示すグラフである。図３は、１つの実施形態に係るレーザ積層造形装置、レーザ積層方法により被加工物にレーザ光及び粉末材料を供給する態様を模式的に示す図である。図４は、コリメートレンズからレーザ光を回折光学素子に入射させる態様の一例を模式的に示す図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るレーザ積層造形装置２は、回折光学素子１２により光強度分布が変換されたレーザ光Ｌを照射領域Ｓに照射する照射部１０、及び照射領域Ｓに粉末材料Ｐを供給する材料供給部２０を有するヘッド３０を備える。回折光学素子は、ＤＯＥ(Diffractive Optical Element)とも称される光の回折を利用した光学部材である。
照射領域Ｓにおいて、照射部１０からの照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成される。
また、材料供給部２０により、この略円形スポット内に粉末材料が供給されるようになっている。
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を備える。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が移動せず、披加工物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、光ファイバ５２により伝送されたレーザ光が入射し、平行光を回折光学素子（ＤＯＥ）１２に出射するコリメートレンズ１４と、回折光学素子（ＤＯＥ）１２から出射された光を照射領域Ｓに集光する集光レンズ１６とを備える。
光ファイバ５２は、入力端がレーザ光源装置５０に接続され、出射端５２Ａからレーザ光をコリメートレンズ１４に出射する。本実施形態に係るレーザ光源装置５０は、マルチモードレーザ装置であり、具体的には、イッテルビウムイオン（Yb3+）を添加した石英ファイバをレーザ媒体とするイッテルビウムファイバレーザを採用している。本実施形態に係るレーザ光源装置５０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５０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５０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。
光ファイバ５２は、ファイバレーザであるレーザ光源装置５０の出射径に合わせて、光ファイバ径が０．３ｍｍのものを用いてある。光ファイバ５２の中で、レーザ光源装置５０から出射されたレーザ光は、コアの中を進む間に、非コヒーレントな高出力レーザ光として、光ファイバ５２の出射端５２Ａから出射される。なお、光ファイバ径は上記に限られるものではなく、レーザ光源装置５０の出力径に応じて、任意の値を採用することができる。
レーザ光源装置５０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５０が移動しない場合には、光ファイバ５２により、レーザ光源装置５０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。
本実施形態に係るコリメートレンズ１４は、光ファイバ５２の出射端５２Ａから出射されるレーザ光を平行光にして、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射させる。
本実施形態に係る回折光学素子（ＤＯＥ）１２としては、例えば石英基板で形成され、基板上にフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術とを用いて、凹凸パターンが加工されたものを使用することができる。凹凸パターンが形成された回折光学素子（ＤＯＥ）１２に平行ビームを照射すると、その凹凸パターンに応じた光強度分布を有する回折像を得ることができる。回折光学素子（ＤＯＥ）１２の基板表面には、均一な温度分布を形成する光強度分布を有する回折像を得るための凹凸パターンが形成されている。
レーザ光源装置５０から出射されたレーザ光は、図２（ａ）に示すようなガウス分布の光強度分布を有する。本実施形態に係る回折光学素子（ＤＯＥ）１２は、ガウス分布の光強度分布を有するレーザ光が入射すると、図２（ｂ）に示すような光強度が一様になった所謂トップハット形の光強度分布のレーザ光を出射するように回折格子パターンが形成されている。
例えば、光ファイバ５２からのレーザ光がコリメートレンズ１４に入射して、直径１０ｍｍの平行光にコリメートされる。これにより、直径１０ｍｍのレーザ光が回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射し、回折光学素子（ＤＯＥ）１２から出射された光が集光レンズ１６に入射する。そして、集光レンズ１６から、照射径が４ｍｍのレーザ光が照射領域Ｓに照射されるようになっている。つまり、コリメートレンズ１４からの出射光は、４倍に拡大されて照射領域Ｓに照射されるようになっている。ただし、この倍率は、必要とされる照射径に応じて任意の値を採用することができる。
本実施形態に係る照射部１０では、図４に示すように、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面より大きくなるように、コリメートレンズ１４が配置されている。このような配置により、回折光学素子（ＤＯＥ）１２が、図２（ａ）に示すようなガウス分布のレーザ光が入射すると、図２（ｂ）に示すようなトップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを用いた場合であっても、図２（ｃ）に示すような外周部Ｘ１が中央部Ｘ２より光強度が強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する光強度分布を有するレーザ光を出射することができる。このような”外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有する光強度分布”を、”ドッグイヤー形の光強度分布”と称することもできる。
なお、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１及び中央部Ｘ２の光強度Ｙ２の比率については、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径及び回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径の比率（つまりコリメートレンズ１４の位置）によって、所望の比率を設定することができる。
基本的に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が大きければ、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が大きくなる。逆に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が小さければ、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が小さくなる。
以上のように、回折光学素子（ＤＯＥ）１２がトップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを有し、コリメートレンズ１４から出射される光の光径を回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面より大きくすることにより、複雑な光学系を用いることなく、外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を得ることができる。
ただし、これに限られるものではなく、図２（ａ）に示すようなガウス分布のレーザ光が入射すると、図２（ｃ）に示すような外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有するドッグイヤー形の光強度分布を形成する回折パターンを有する回折光学素子（ＤＯＥ）１２を用いることもできる。この場合には、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面内に収まるようにすることができる。
ただし、これに限られるものではなく、ドッグイヤー形の光強度分布を形成する回折パターンを有する回折光学素子（ＤＯＥ）１２に対して、入射するレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径より大きくなるようにすることにより、より外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率を大きくなった光強度分布を得ることもできる。
このように形成されたドッグイヤー形の光強度分布を有するレーザ光が、集光レンズ１６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。このことを図３に模式的に示す。後述するように 材料供給部２０により、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１が中央部Ｘ２の光強度Ｙ２より強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポットＳ１内に、粉末材料Ｐが供給されるようになっている。なお、ここでいう”略円形”には、真円だけでなく、長円形・楕円形、卵形も含まれる。
＜材料供給部２０＞
材料供給部２０ついて更に詳細に述べれば、貯蔵部２２に貯蔵された粉末材料が、キャリアガスとともに、供給管２４内を流れて、材料供給部２０の吹出ノズル２６から照射領域Ｓに供給される。粉末材料としては、ステンレス鋼、ニッケル基合金（インコネル）、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。
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。
図１（ａ）の矢視Ａ−Ａ図である図１（ｂ）に示すように、吹出ノズル２６には、８つの吹出口２６Ａが、照射部の照射用開口の周囲、つまり、照射部１０の集光レンズ１６の外径の外側に配置されている。これらの吹出口２６Ａから、粉末材料Ｐが照射領域Ｓに供給される。ただし、吹出口２６Ａの数は８に限られるものではなく、その他の任意の数の吹出口２６Ａを設けることができる。
貯蔵部２２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２２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２２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。
上記のように本実施形態では、材料供給部２０の吹出ノズル２６の吹出口２６Ａが、照射部１０の集光レンズ１６の外径の外側に配置されているので、集光レンズ１６から照射部Ｓへ照射されるレーザ光の外側から、照射領域Ｓの略円形スポットＳ１内に粉末材料が供給されるようになっている。つまり、図３に示すように、材料供給部２０により、集光レンズ１６の外側から、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ中央部も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポット内に粉末材料が供給されるようになっている。
よって、粉末材料が溶融池Ｍに到達する前にプラズマが生じてレーザ光が遮断されることはない。また、光学系（集光レンズ１６等）に穴をあけて材料の供給口を設ける必要がないので、製造コストが低減でき、光学系の信頼性も高まる。
＜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、披加工物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。
（１つの実施形態に係るレーザ積層方法）
次に、図１から図４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方法について、簡略に説明する。
まず、被加工物６０を、レーザ加工装置２のテーブル上に載置し、積層を行う領域が集光レンズ１６の焦点近傍にくるように、被加工物６０の位置及び高さを調整する。続いて、レーザ光源装置５０を作動させ、光ファイバ５２、コリメートレンズ１４、回折光学素子（ＤＯＥ）１２、及び集光レンズ１６を通過した高出力レーザ光を照射し、照射領域Ｓがドッグイヤー形の光強度分布のレーザ光で加熱されるようにする。その状態で、粉末材料Ｐを、照射領域Ｓに形成される略円形スポット内に供給し、ヘッド３０を移動して走査を開始する。以上のようなレーザ積層方法により、レーザ光が通過した後の累積照射熱量が位置によらず一定になるため、積層された材料は均一加熱され自然冷却により固化する。照射領域Ｓでは、以上の手順により積層が行われる。
以上のように、本実施形態に係るレーザ積層造形装置２では、
回折光学素子（ＤＯＥ）１２により光強度分布が変換されたレーザ光Ｌを照射領域Ｓに照射する照射部１０、及び照射領域Ｓに粉末材料Ｐを供給する材料供給部２０を有するヘッド３０と、
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、
を備え、
照射領域Ｓにおいて、
照射光Ｌにより、外周部Ｘ１の光強度が中央部Ｘ２の光強度より強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポットＳ１が形成され、
材料供給部２０により、略円形スポットＳ１内に粉末材料が供給されるようになっている。
同様に、本実施形態に係るレーザ積層方法では、
レーザ光を回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射させる工程と、
ヘッド３０から照射領域Ｓに回折光学素子（ＤＯＥ）１２で光強度分布が変換されたレーザ光Ｌを照射する工程と、
ヘッド３０から照射領域Ｓに粉末材料Ｐを供給する工程と、
ヘッド３０及び被加工物６０を相対的に移動させる工程と、
を含み、
照射領域Ｓにおいて、
照射光Ｌにより、外周部Ｘ１の光強度が中央部Ｘ２の光強度より強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する光強度分布を有する（ドッグイヤー形の）略円形スポットＳ１を形成し、
ヘッド３０から略円形スポットＳ１内に粉末材料Ｐを供給するようになっている。
レーザ積層においては、ヘッドにより、照射領域にレーザ光を照射しながら粉末材料を供給することにより、材料の溶融池が形成される。この状態で、移移動機構により、ヘッド及び被加工物を相対的に移動させると、移動方向に延びた溶融池が形成される。
このとき、照射領域に照射されるレーザ光が、ガウス分布やトップハット形の光強度分布を有する略円形スポットの場合、中央部の累積熱量が外周部の累積熱量に比べて大きくなり、溶融池は、中央の温度が高く、外周部の温度が低い不均一な温度分布を有するようになる。
よって、ヘッドを被加工物に対して走査する連続積層の場合、溶融池中央部での温度上昇による金属粉末の溶融速度の違い、溶融金属の冷却速度の違いによる空孔の発生や残留応力の発生という問題が生じる。更に、高エネルギ密度のレーザ光の場合、粉末材料が溶融池に投入する直前にレーザ光に照射され、その時発生するプラズマによりレーザ光が遮断され、溶融池サイズが変化し均一な積層ができないという問題も生じる。
本実施形態に係るレーザ積層造形装置２及びレーザ積層方法においては、照射光Ｌが、外周部Ｘ１が中央部Ｘ２より光強度が強くかつ中央部Ｘ２も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有する略円形スポットＳ１を形成するので、中央部Ｘ２の累積熱量と外周部Ｘ１の累積熱量をより均一にでき、溶融池Ｍの中央部及び外周部の間の温度差を抑制できる。
よって、ヘッドを被加工物６０に対して走査する高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を実現できる。更に、照射光の略円形スポットＳ１内に粉末材料Ｐが供給されるので、プラズマによりレーザ光が遮断される問題も抑制でき、高効率な積層を実現できる。
以上のように本実施形態に係るレーザ積層造形装置２では、高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を高効率に行うことができる。
仮に、照射領域Ｓに照射するレーザ光の光強度分布において、中央部の光強度が限りなくゼロに近くなると、逆に、中央部の累積熱量が外周部の累積熱量に比べて小さくなり、溶融池は不均一な温度分布を有するようになる。ここで、中央部Ｘ２の光強度Ｙ２の外周部Ｘ１の光強度Ｙ１に対する比率Ｒとすると、Ｒ＝Ｙ２／Ｙ１で示される。
様々なシミュレーション結果に基づくと、Ｒの値が、８％以上４０％以下の光強度分布を有することが好ましく、１０％以上３０％以下の光強度分布を有することが更に好ましいことが判明した。このような光強度分布の範囲により、均一で高品位なレーザ積層を確実に実行することができる。
（その他の実施形態に係るレーザ積層造形装置）
次に、図５を参照しながら、本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図５は、 本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。
本実施形態における照射部１０では、コリメートレンズ１４が光軸方向に移動可能になっている。
本実施形態では、光ファイバ５２の出力端５２Ａに光を広げて出射する面を有するレンズ１８（例えば凸レンズ）を備えている。このような構成において、コリメートレンズ１４をレンズ１８から離間させる（回折光学素子（ＤＯＥ）１２に近づける）ように移動させることにより、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径を大きくすることができる。一方、コリメートレンズ１４をレンズ１８に近づける（回折光学素子（ＤＯＥ）１２から離間させる）ように移動させることにより、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径を小さくすることができる。以上のように、コリメートレンズ１４を光軸方向に移動させることにより、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径を変化させることができる。
上記のように、コリメートレンズ１４から出射されるレーザ光の光径が、回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面より大きくなるようにすることにより、トップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを用いた場合であっても、外周部が中央部より光強度が強くかつ中央部も所定の光強度を有する（ドッグイヤー形の）光強度分布を有するレーザ光を形成することができる。本実施形態では、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率を変更できるので、これによりドッグイヤー形の光強度分布のプロファイルを変更することができる。
基本的に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光の光径が大きくなれば（つまり、入射光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が大きくなれば）、照射領域Ｓにおける光強度分布において、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が大きくなる。逆に、回折光学素子（ＤＯＥ）１２に入射するレーザ光のレーザ光の光径が小さくなれば（つまり、入射光の光径の光回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の外径に対する比率が小さくなれば）、外周部Ｘ１の光強度Ｙ１の中央部Ｘ２の光強度Ｙ２に対する比率（Ｙ１／Ｙ２）が小さくなる。
以上のように、本実施形態では、コリメートレンズ１４を光軸方向に移動させる簡易な機構で、照射されるレーザ光の光強度分布のプロファイルを容易に変更することができる。
コリメートレンズ１４を光軸方向に移動させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ１４の移動を行う場合には、積層工程の条件の変化に応じて、コリメートレンズ１４の位置変更を自動制御することもできる。
（更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置）
次に、図６及び図７を参照しながら、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図６は、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。図７は、レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行うところを模式的に示す斜視図である。
図７に示すように、レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行う場合、左右対称のドッグイヤー形の光強度分布のレーザ光を照射した場合、コーナ内側の累積熱量がコーナ外側の累積熱量に比べて大きくなり、溶融池は、コーナ内側の温度が高く、コーナ外側の温度が低い不均一な温度分布を有するようになる。
これに対処するため、本実施形態では、図６に示すように、コリメートレンズ１４の光軸を回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の法線方向から傾斜させることができるようになっている。これにより、光軸に対して非対称なドッグイヤー形の光強度分布を形成することができる。つまり、コーナ部の内側の光強度が外側の光強度より弱い非対称な温度分布を形成することができる。
入射面の法線方向から傾斜させる角度θによって、非対称の度合いを任意に調整することができる。また、入射面の法線方向に対して、コリメートレンズ１４の光軸を両方向（＋θ〜−θ）に傾斜させることができるので、時計回り、反時計周り任意の向きのコーナ部の積層に対応することができる。
以上のように、コリメートレンズ１４を傾ける簡易な機構で、照射光において、光軸に対して非対称な光強度分布を形成することができるので、コーナ部の内側の光強度が外側の光強度より弱い非対称な温度分布を形成することができ、コーナ部の内外の間の温度差を効果的に抑制できる。
コリメートレンズ１４を回折光学素子（ＤＯＥ）１２の入射面の法線方向から傾斜させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ１４を傾斜させる場合には、例えば、走査工程においてコーナ部に到達したときにコリメートレンズ１４を自動的に傾斜させ、コーナ部を通過したところで自動的に元に戻す自動制御を行うこともできる。
（実施例）
次に、図８を参照しながら、（ａ）ガウス分布の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、（ｂ）トップハット形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、及び（ｃ）上記の実施形態のように、ドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布のシミュレーション結果を説明する。図８は、ガウス分布、トップハット形及びドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査した場合の照射領域の温度分布を示す図である。走査した場合の照射領域において、色の濃い部分の温度が高く、薄い部分の温度が低くなっている
図８（ａ）に示すように、ガウス分布の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合には、照射領域において、中央部の温度に比べて周辺部の温度がかなり低くなっている。図８（ｂ）に示すように、トップハット形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合には、ガウス分布の場合に比べて、照射領域において、中央部及び周辺部の温度差が小さくなっているが、依然として、中央部の温度に比べて周辺部の温度が低くなっている。
ドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査する場合においては、中央部の光強度が外周部の光強度の１０％以上３０％以下である光強度分布を有するレーザ光を照射した場合のシミュレーションを行った。このレーザ光を照射しながら走査することにより、図８（ｃ）に示すように、照射領域において、中央部及び周辺部の温度がほぼ均一になった温度分布が得られることが判明した。これにより、被加工物に照射される熱量が均一で、溶融池の温度が均一な加熱が行なわれることが実証された。よって、空孔が少なく残留応力が小さい均一なレーザ積層が行われることになる。
以上のように、実際にレーザ積層のシミュレーションを行うことにより、上記の本発明の実施形態に係るレーザ積層造形装置２及びレーザ積層方法により奏する作用効果が実証された。
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 回折光学素子
１４ コリメートレンズ
１６ 集光レンズ
１８ レンズ
２０ 材料供給部
２２ 貯蔵部
２４ 供給管
２６ 吹出ノズル
２６Ａ 吹出口
３０ ヘッド
４０ 移動機構
４２ アクチュエータ
５０ レーザ光源装置
５２ 光ファイバ
５２Ａ 出力端
６０ 披加工物
Ｓ 照射領域
Ｓ１ 略円形スポット
Ｌ レーザ光
Ｐ 粉末材料
Ｍ 溶融池

Claims (6)

  1. 回折光学素子により光強度分布が変換された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粉末材料を供給する材料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、
    前記照射領域において、
    照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成され、
    前記材料供給部により、前記略円形スポット内に前記粉末材料が供給されることを特徴とするレーザ積層造形装置。
  2. 前記中央部の光強度が前記外周部の光強度の１０％以上３０％以下である光強度分布を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ積層造形装置。
  3. 前記照射部が、光ファイバにより伝送されたレーザ光が入射し、平行光を前記回折光学素子に出射するコリメートレンズを備え、
    前記回折光学素子がトップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを有し、
    前記コリメートレンズから出射される光の光径を前記回折光学素子の入射面より大きくすることにより、前記外周部が前記中央部より光強度が強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する前記光強度分布を形成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装置。
  4. 前記コリメートレンズを光軸方向に移動させることにより、前記光強度分布のプロファイルを変更することを特徴とする請求項３に記載のレーザ積層造形装置。
  5. 前記コリメートレンズの光軸を前記回折光学素子の入射面の法線方向から傾けることにより、光軸に対して非対称な前記光強度分布を形成することを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ積層造形装置。
  6. レーザ光を回折光学素子に入射させる工程と、
    ヘッドから照射領域に前記回折光学素子で光強度分布が変換されたレーザ光を照射する工程と、
    前記ヘッドから前記照射領域に粉末材料を供給する工程と、
    前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる工程と、
    を含み、
    前記照射領域において、
    照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットを形成し、
    前記ヘッドから前記略円形スポット内に前記粉末材料を供給することを特徴とするレーザ積層方法。
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