JP6042390B2 - ノズル、積層造形装置、粉体供給方法及び積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ノズル、積層造形装置、粉体供給方法及び積層造形方法に関する。

従来、積層造形物を付加的に形成する積層造形装置が知られている。積層造形装置は、ノズルから材料の粉体を供給するとともにレーザ光を出射することにより粉体を溶融させて材料の層を形成し、当該層を積み重ねることにより積層造形物を形成する。

特開平１１−３３３５８４号公報

この種の装置では、例えば、より確実にあるいはより効率良く材料を供給することができれば、有意義である。

一つの実施の形態に係る積層造形装置は、ノズルと、帯電部と、供給部と、光学装置とを備える。前記ノズルは、粉体が吐出可能に形成された開口部を有するボディと、帯電した前記粉体が前記ボディ内で旋回すると共に収束するように磁場を生成する磁場生成部と、を有する。前記帯電部は、前記粉体を帯電させるよう構成される。前記供給部は、前記帯電部により帯電された前記粉体を前記ボディの内部に供給するよう構成される。前記光学装置は、前記粉体を溶融又は焼結するよう構成される。

図１は、第１の実施の形態に係る積層造形装置を概略的に示す図である。 図２は、第１の実施形態の積層造形装置による造形処理の手順の一例を概略的に示す図である。 図３は、第１の実施形態のノズル、光学装置、及び対象物を示す断面図である。 図４は、第１の実施形態の第１ボディ及び供給部を図３のＦ４−Ｆ４線に沿って概略的に示す断面図である。 図５は、第２の実施の形態に係るノズル、光学装置、及び対象物を示す断面図である。 図６は、第３の実施の形態に係るノズル、光学装置、及び対象物を示す断面図である。

以下に、第１の実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、本明細書においては基本的に、鉛直上方を上方向、鉛直下方を下方向と定義する。また、実施形態に係る構成要素や、当該要素の説明について、複数の表現を併記することがある。当該構成要素及び説明について、記載されていない他の表現がされることは妨げられない。さらに、複数の表現が記載されない構成要素及び説明について、他の表現がされることは妨げられない。

図１は、第１の実施の形態に係る積層造形装置１を概略的に示す図である。図１に示されるように、積層造形装置１は、処理槽１１や、ステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４、光学装置１５、計測装置１６、制御装置１７を備える。

図面に示されるように、本明細書において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が定義される。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは、互いに直交する。Ｚ軸は、例えば鉛直方向に沿う。なお、積層造形装置１は、Ｚ軸が鉛直方向から傾斜するように配置されても良い。

積層造形装置１は、例えば、ステージ１２上に配置された対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料１２１を層状に積み重ねることにより、所定の形状の積層造形物１００を造形する。材料１２１は、粉体の一例である。

対象物１１０は、ノズル装置１４によって材料１２１が供給される対象であって、ベース１１０ａ及び層１１０ｂを含む。複数の層１１０ｂがベース１１０ａの上面に積層される。材料１２１は、例えば、粉末状の金属材料である。なお、材料１２１はこれに限られず、合成樹脂やセラミックスのような他の材料であっても良い。積層造形装置１は、一種類以上の材料１２１により、積層造形物１００を造形する。

処理槽１１に、主室２１と副室２２とが設けられる。副室２２は、主室２１と隣接して設けられる。主室２１と副室２２との間に、扉部２３が設けられる。扉部２３が開かれることで主室２１と副室２２とが連通され、扉部２３が閉じられることで主室２１が気密状態になる。

主室２１に、給気口２１ａ及び排気口２１ｂが設けられる。給気装置（図示されず）の動作により、主室２１内に給気口２１ａを介して窒素やアルゴン等の不活性ガスが供給される。排気装置（図示されず）の動作により、主室２１から排気口２１ｂを介して主室２１内のガスが排出される。なお、積層造形装置１は、排気口２１ｂを介して主室２１内のガスを排出することにより、主室２１を真空にしても良い。

主室２１内に、移送装置（図示されず）が設けられる。また、主室２１から副室２２に亘り、搬送装置２４が設けられる。移送装置は、主室２１で処理された積層造形物１００を、搬送装置２４に渡す。搬送装置２４は、移送装置から渡された積層造形物１００を副室２２内に搬送する。すなわち、副室２２には、主室２１で処理された積層造形物１００が収容される。積層造形物１００が副室２２に収容された後、扉部２３が閉じられ、副室２２と主室２１とが隔絶される。

主室２１内に、ステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４の一部、及び計測装置１６が設けられる。

ステージ１２は、対象物１１０を支持する。移動装置１３（移動機構）は、例えば、ステージ１２を互いに直交する三軸方向に移動させる。

ノズル装置１４は、ステージ１２上に位置された対象物１１０に材料１２１を供給する。また、ノズル装置１４のノズル３３は、ステージ１２上に位置する対象物１１０にレーザ光２００を照射する。ノズル装置１４は、複数の材料１２１を並行して供給すること、及び複数の材料１２１のうち一つを選択的に供給することが可能である。また、ノズル３３は、材料１２１の供給と並行してレーザ光２００を照射する。レーザ光２００は、エネルギー線の一例である。なお、ノズル３３は、レーザ光に限らず、他のエネルギー線を照射しても良い。エネルギー線は、レーザ光のように材料を溶融又は焼結できるものであれば良く、例えば、電子ビームや、マイクロ波乃至紫外線領域の電磁波であっても良い。

ノズル装置１４は、供給装置３１、供給装置３１Ａ、排出装置３２、ノズル３３、供給管３４、供給管３４Ａ、及び排出管３５を有する。供給装置３１は、供給管３４を介してノズル３３へ材料１２１を送る。供給装置３１Ａは、供給管３４Ａを介してノズル３３へ気体を送る。また、材料１２１は、ノズル３３から排出管３５を介して排出装置３２へ送られる。

供給装置３１は、タンク３１ａと、供給部３１ｂと、帯電部３１ｃとを有する。タンク３１ａは、材料１２１を収容する。供給部３１ｂは、タンク３１ａの材料１２１をノズル３３へ供給する。帯電部３１ｃは、供給部３１ｂがノズル３３へ供給する材料１２１を、例えばコロナ放電によって負に帯電させる。なお、帯電部３１ｃは、他の手段によって材料１２１を帯電させても良いし、材料１２１を正に帯電させても良い。また、帯電部３１ｃは、タンク３１ａに収容された材料１２１を帯電させても良い。

供給装置３１Ａは、ガス供給部３１ｄを有する。供給装置３１Ａは、シールドガス（気体）をノズル３３へ供給する。シールドガスは、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスである。なお、主室２１が真空にされる場合、ノズル装置１４は、供給装置３１Ａを有さなくても良い。

排出装置３２は、分級装置３２ａと、排出部３２ｂと、タンク３２ｃ，３２ｄと、を有する。排出部３２ｂは、ノズル３３から気体を吸引する。分級装置３２ａは、排出部３２ｂが吸引した気体中の材料１２１とヒュームとを分離する。タンク３２ｃは材料１２１を収容し、タンク３２ｄはヒューム１２４を収容する。これにより、処理領域から、気体とともに、造形に用いられなかった材料１２１の粉体や、造形によって生成されたヒューム（金属ヒューム）、塵芥等が、排出される。排出部３２ｂは、例えば、ポンプである。

また、図１に示されるように、光学装置１５は、光源４１と、光学系４２と、を備える。光源４１は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光２００を出射する。光源４１は、出射するレーザ光２００のパワー密度を変更可能である。

光源４１は、ケーブル２１０を介して光学系４２に接続される。光源４１から出射されたレーザ光２００は、光学系４２を経てノズル３３に入る。ノズル３３は、レーザ光２００を、対象物１１０や、対象物１１０に向けて噴射された材料１２１に照射する。

光学系４２は、例えば、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、第４レンズ５４、及びガルバノスキャナ５５を備える。第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、及び第４レンズ５４は、固定される。なお、光学系４２は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、及び第４レンズ５４を、例えば、光路に対して交差（直交）する二軸方向に移動可能な調整装置を備えても良い。

第１レンズ５１は、ケーブル２１０を介して入射されたレーザ光２００を平行光に変換する。変換されたレーザ光２００は、ガルバノスキャナ５５に入射する。

第２レンズ５２は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第２レンズ５２で収束されたレーザ光２００は、ケーブル２１０を経てノズル３３に至る。

第３レンズ５３は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第３レンズ５３で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。

第４レンズ５４は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第４レンズ５４で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。

ガルバノスキャナ５５は、第１レンズ５１で変換された平行光を、第２レンズ５２、第３レンズ５３、及び第４レンズ５４のそれぞれに入る光に分ける。ガルバノスキャナ５５は、第１ガルバノミラー５７と、第２ガルバノミラー５８と、第３ガルバノミラー５９と、を備える。各ガルバノミラー５７，５８，５９は、光を分けるとともに、傾斜角度（出射角度）を変化可能である。

第１ガルバノミラー５７は、第１レンズ５１を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第２ガルバノミラー５８に出射する。また、第１ガルバノミラー５７は、レーザ光２００の他の一部を反射させ、反射したレーザ光２００を第４レンズ５４に出射する。第１ガルバノミラー５７は、第４レンズ５４を通過したレーザ光２００の照射位置を、第１ガルバノミラー５７の傾斜角度に応じて変化させる。

第２ガルバノミラー５８は、第１ガルバノミラー５７を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第３ガルバノミラー５９に出射する。また、第２ガルバノミラー５８は、レーザ光２００の他の一部を反射させ、反射したレーザ光２００を第３レンズ５３に出射する。第２ガルバノミラー５８は、第３レンズ５３を通過したレーザ光２００の照射位置を、第２ガルバノミラー５８の傾斜角度に応じて変化させる。

第３ガルバノミラー５９は、第２ガルバノミラー５８を通過したレーザ光２００の一部を第２レンズ５２に出射する。

光学系４２は、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、及び第３レンズ５３を含む溶融装置４５を有する。溶融装置４５は、レーザ光２００の照射によって、ノズル３３から対象物１１０に供給された材料１２１（１２３）を加熱することにより、層１１０ｂを形成するとともにアニール処理を行う。

また、光学系４２は、第１ガルバノミラー５７及び第４レンズ５４を含む、材料１２１の除去装置４６を有する。除去装置４６は、ベース１１０ａ上又は層１１０ｂに形成された不要な部位をレーザ光２００の照射によって除去する。除去装置４６は、例えば、ノズル３３による材料１２１の供給時における材料１２１の飛散によって発生する不要部位や、層１１０ｂの形成時に発生する不要部位等の、積層造形物１００の所定の形状とは異なる部位を除去する。除去装置４６は、当該不要部位を除去可能なパワー密度を有するレーザ光２００を出射する。

計測装置１６は、固化した層１１０ｂの形状及び造形された積層造形物１００の形状を計測する。計測装置１６は、計測した形状の情報を制御装置１７に送信する。計測装置１６は、例えば、カメラ６１と、画像処理装置６２と、を備える。画像処理装置６２は、カメラ６１で計測した情報に基づいて画像処理を行う。なお、計測装置１６は、例えば、干渉方式や光切断方式等によって、層１１０ｂ及び積層造形物１００の形状を計測する。

移動装置７１（移動機構）は、ノズル３３を互いに直交する三軸方向に移動させる。

制御装置１７は、移動装置１３、搬送装置２４、供給装置３１、供給装置３１Ａ、排出装置３２、光源４１、ガルバノスキャナ５５、画像処理装置６２、及び移動装置７１に、信号線２２０を介して電気的に接続される。

制御装置１７は、移動装置１３を制御することで、ステージ１２を三軸方向に移動させる。制御装置１７は、搬送装置２４を制御することで、造形した積層造形物１００を副室２２に搬送する。制御装置１７は、供給装置３１を制御することで、材料１２１の供給の有無及び供給量を調整する。制御装置１７は、排出装置３２を制御することで、材料１２１の粉体やヒュームの排出の有無及び排出量を調整する。制御装置１７は、光源４１を制御することで、光源４１から出射されるレーザ光２００のパワー密度を調整する。制御装置１７は、ガルバノスキャナ５５を制御することで、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、及び第３ガルバノミラー５９の傾斜角度を調整する。また、制御装置１７は、移動装置７１を制御することで、ノズル３３の位置を制御する。

制御装置１７は、記憶部１７ａを備えている。記憶部１７ａに、例えば、造形する積層造形物１００の形状（参照形状）を示すデータが記憶される。また、記憶部１７ａに、三次元の処理位置（各点）毎のノズル３３とステージ１２との高さを示すデータが記憶される。

制御装置１７は、ノズル３３から複数の異なる材料１２１を選択的に供給し、複数の材料１２１の比率を調整（変更）する機能を備える。例えば、制御装置１７は、記憶部１７ａに記憶された各材料１２１の比率を示すデータに基づいて、当該比率で材料１２１の層１１０ｂが形成されるよう、供給装置３１を制御する。この機能により、積層造形物１００の位置（場所）によって複数の材料１２１の比率が変化（漸減又は漸増）する傾斜材料（傾斜機能材料）が造形可能になる。例えば、層１１０ｂの形成に際し、制御装置１７が、積層造形物１００の三次元座標の各位置に対応して設定された（記憶された）材料１２１の比率となるように、供給装置３１を制御する。これにより、積層造形物１００を、材料１２１の比率が三次元の任意の方向に変化する傾斜材料（傾斜機能材料）として造形することが可能である。単位長さ当たりの材料１２１の比率の変化量（変化率）も、種々に設定することが可能である。

制御装置１７は、層１１０ｂ又は造形物１００の形状を判断する機能を備える。例えば、制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂ又は積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状とを比較することで、所定の形状でない部位が形成されているか否かを判断する。

また、制御装置１７は、層１１０ｂ又は造形物１００の形状の判断により所定の形状でない部位と判断された不要な部位を除去することで、層１１０ｂ又は造形物１００を所定の形状にトリミングする機能を備える。例えば、制御装置１７は、まず、層１１０ｂ又は造形物１００における所定の形状でない部位に、第１ガルバノミラー５７を介して第４レンズ５４から出射されたレーザ光２００が材料１２１を蒸発可能なパワー密度となるように光源４１を制御する。次いで、制御装置１７は、第１ガルバノミラー５７を制御して、レーザ光２００を、当該部位に照射して当該部位を蒸発させる。

次に、図２を参照し、積層造形装置１による積層造形物１００の製造方法の一例について説明する。図２は、積層造形装置１による造形処理（製造方法）の手順の一例を概略的に示す図である。

図２に示されるように、まず、積層造形装置１は、材料１２１の供給及びレーザ光２００の照射を行う。制御装置１７は、材料１２１がノズル３３から所定の範囲に供給されるよう供給装置３１及びノズル３３を制御するとともに、供給された材料１２１がレーザ光２００によって溶融又は焼結するよう、光源４１やガルバノスキャナ５５を制御する。これにより、図２に示されるように、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを形成する範囲に、溶融又は焼結した材料１２３が所定の量だけ供給される。材料１２３は、ベース１１０ａや層１１０ｂに噴射されると、変形して層状又は薄膜状等の材料１２３の集合となる。または、材料１２３は、材料１２１の集合への伝熱によって冷却されることにより、粒状で積層され、粒状の集合となる。

次に、積層造形装置１は、アニール処理を行う。制御装置１７は、ベース１１０ａ上の材料１２３の集合にレーザ光２００が照射されるよう、光源４１や溶融装置４５を制御する。これにより、材料１２３の集合が再溶融又は再焼結されて層１１０ｂになる。

次に、積層造形装置１は、形状計測を行う。制御装置１７は、アニール処理が行われたベース１１０ａ上の材料１２３を計測するよう、計測装置１６を制御する。制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂ又は積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較する。

次に、積層造形装置１は、トリミングを行う。制御装置１７は、形状計測及び参照形状との比較により、例えば、ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状と異なる位置に付着していたことが判明した場合には、不要な材料１２３が蒸発するよう、光源４１や除去装置４６を制御する。一方、制御装置１７は、形状計測及び参照形状との比較により、層１１０ｂが所定の形状であったことが判明した場合には、トリミングを行わない。

上述した層１１０ｂの形成が終了すると、積層造形装置１は、当該層１１０ｂの上に、新たな層１１０ｂを形成する。積層造形装置１は、層１１０ｂを反復的に積み重ねることにより、積層造形物１００を造形する。

次に、図３及び図４を参照して、ノズル３３について詳しく説明する。図３は、ノズル３３、光学装置１５、及び対象物１１０を示す断面図である。図３に示すように、ノズル３３は、第１ボディ３０１と、磁場生成部３０２と、供給部３０３と、第２ボディ３０４と、を有する。

第１ボディ３０１は、例えば、少なくとも表面が電気的に絶縁性を有する材料で作られ、Ｚ軸に沿う方向に延びる円筒状に形成される。なお、第１ボディ３０１の材料及び形状はこれに限られない。第１ボディ３０１は、端面３１１と、外周面３１２と、第１開口部３１３とを有する。第１開口部３１３は、開口部の一例である。

端面３１１は、第１ボディ３０１の一方の端部に設けられ、下方に向く略平坦な面である。端面３１１は、所定の長さの隙間を介して対象物１１０に対向する。外周面３１２は、Ｚ軸に沿う方向に延びる円筒状の曲面である。

第１開口部３１３は、端面３１１に開口するとともに、Ｚ軸に沿う方向に延びる円形の孔である。すなわち、第１開口部３１３の端部３１３ａが、端面３１１に設けられる。第１開口部３１３の内径は略一定であるが、例えば、端面３１１に向かってテーパ状に縮小しても良い。第１開口部３１３の中心軸は、外周面３１２の中心軸と略同一である。

第１開口部３１３の端部３１３ａの内径は、第１開口部３１３の他の部分の内径よりも小さい。なお、第１開口部３１３の端部３１３ａの内径は、第１開口部３１３の他の部分の内径と略同一であっても良い。

磁場生成部３０２は、コイル３１５を有する。コイル３１５は、第１ボディ３０１の外周面３１２に巻き付けられ、Ｚ軸に沿う方向に延びるソレノイドコイルである。なお、コイル３１５は、例えば第１開口部３１３の内部に配置されても良い。コイル３１５の中心軸は、第１開口部３１３の中心軸と略同一である。

コイル３１５の長さ当たりの巻き数（巻き密度）は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って増加する。言い換えると、コイル３１５の隣り合う導線の間の距離（ピッチ）は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って小さくなる。コイル３１５の長さ当たりの巻き数は、例えば、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って連続的に増加する。なお、コイル３１５の長さ当たりの巻き数は、例えば、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って段階的に増加しても良い。

制御装置１７は、例えば駆動回路を制御し、コイル３１５に所定の電流を流す（電圧を印加する）。コイル３１５に電流が流れると、コイル３１５は、第１開口部３１３の内部に磁場を発生させる。各図は、コイル３１５が発生させる磁場の中心軸である磁場中心軸４００のみを示す。磁場はコイル３１５の第１開口部３１３の内部に空間的に分布する。すなわち、コイル３１５は、磁場中心軸４００に沿って延びる磁場成分のみならず、第１開口部３１３の端部３１３ａから拡散するような複数の他の磁場成分も生じさせる。

コイル３１５が発生させる磁場の磁場中心軸４００は、第１開口部３１３の中心軸に沿って、第１開口部３１３の内部から外部へ直線状に延びる。磁場中心軸４００は、第１開口部３１３の端部３１３ａから対象物１１０に向かう方向に延びる。

磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の強さは、コイル３１５の長さ当たりの巻き数に従って変化する。このため、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の強さは、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って強くなる。言い換えると、第１開口部３１３における磁束密度は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って増大する。

供給部３０３は、少なくとも部分的に、第１開口部３１３の内部に配置される。供給部３０３は、第１開口部３１３の端部３１３ａから所定の長さだけ離間する。供給部３０３は、例えば、螺旋状に巻回された管である。なお、供給部３０３はこれに限られない。

供給部３０３の中心軸は、第１開口部３１３の中心軸と略同一である。供給部３０３の外径は、第１開口部３１３の内径よりも小さい。供給部３０３の外径は略一定であるが、例えば、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って変化しても良い。

供給部３０３は、供給口３１８を有する。供給口３１８は、供給部３０３の一方の端部に設けられ、第１開口部３１３の内部に位置する。供給口３１８は、Ｘ軸及びＹ軸が形成する平面において、第１開口部３１３の中心軸から離間する。供給口３１８は、螺旋状に巻回された供給部３０３の周方向に向かって開口する。言い換えると、供給口３１８は、磁場中心軸４００と交差する方向に向かって開口する。

供給部３０３は、図１の供給管３４を介して供給装置３１に接続され、供給装置３１から材料１２１を供給される。供給部３０３は、材料１２１を、供給口３１８から、第１開口部３１３の内部に供給する。

図４は、図３のＦ４−Ｆ４線に沿って、第１ボディ３０１及び供給部３０３を概略的に示す断面図である。材料１２１は、螺旋状に巻回された供給部３０３を通って、第１開口部３１３の内部に放出される。このため、図４に示すように、材料１２１は、磁場中心軸４００に対する周方向に速度Ｖを有する。言い換えると、供給部３０３は、第１開口部３１３の内部に、磁場中心軸４００に対する周方向に速度Ｖを与えて材料１２１を供給する。

第１開口部３１３に供給される材料１２１は、他の方向へ向かう速度成分を有しても良い。例えば、供給部３０３が磁場中心軸４００に対する周方向とずれた方向に速度を与えて材料１２１を供給しても、材料１２１が磁場中心軸４００に対する周方向へ向かう速度成分（速度Ｖ）を有していれば良い。また、材料１２１は、重力によって下方への速度をさらに与えられる。

材料１２１は、図１の帯電部３１ｃによって帯電される。このため、速度Ｖを有する材料１２１が第１開口部３１３の内部に供給されると、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場によって、材料１２１にローレンツ力Ｆが作用する。ローレンツ力Ｆは、磁場中心軸４００に向かう向心力として材料１２１に作用する。このため、材料１２１は、重力によって下方に移動しながら、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中において、磁場中心軸４００の周りを旋回するサイクロトロン運動を行う。

磁場中心軸４００を中心軸とする磁場によって旋回する材料１２１の、磁場中心軸４００に対する距離である運動半径Ｒは、下記の（数１）式によって表される。
Ｒ＝ｍ・Ｖ／（ｅ・Ｂ） …（数１）
上記（数１）式において、ｍは材料１２１の質量、ｅは材料１２１の電荷、Ｂは材料１２１に作用する磁束密度である。材料１２１は旋回しながら、磁場中心軸４００に対する距離が上記運動半径Ｒとなって現れる。

（数１）式に示すように、磁束密度Ｂが増大するに従って、旋回する材料１２１の運動半径Ｒは減少する。このため、材料１２１の運動半径Ｒは、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って短くなる。すなわち、図３に示すように、材料１２１の旋回軌道は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って先細る螺旋状となる。このように、磁場中心軸４００から離間した位置に放出された材料１２１は、旋回しながら磁場中心軸４００方向に向かって収束する。

例えば、供給部３０３の供給口３１８と磁場中心軸４００との間の距離は、２ｍｍである。さらに、第１開口部３１３の端部３１３ａにおける材料１２１の運動半径Ｒは、例えば、０．２ｍｍである。このように、材料１２１は、磁場中心軸４００方向に向かって収束する。

磁場中心軸４００は、第１開口部３１３の内部から外部に向かって続く。このため、材料１２１は、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中を旋回しながら、第１開口部３１３の端部３１３ａから吐出される。吐出された材料１２１は、旋回しながら落下し、対象物１１０に供給される。

Ｚ軸に沿う方向において、材料１２１に作用する力は、主に重力である。ローレンツ力ＦはＺ軸(磁場方向)に沿う方向に向かう力を材料１２１に作用させない。このため、Ｚ軸に沿う方向において、材料１２１は重力のみに従って落下する。なお、ローレンツ力Ｆや他の力が、Ｚ軸に沿う方向において材料１２１に作用しても良い。

ノズル３３の第１ボディ３０１は、光学装置１５から出射されたレーザ光２００を、第１開口部３１３から出射する。レーザ光２００は、磁場中心軸４００と重なるように第１開口部３１３の内部を通り、第１開口部３１３の端部３１３ａから外部へ出射される。

レーザ光２００が磁場中心軸４００と重なるため、材料１２１は、レーザ光２００の周りを旋回する。言い換えると、磁場生成部３０２は、材料１２１をレーザ光２００の周りで旋回させる、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場を第１開口部３１３の内部に発生させる。

制御装置１７は、レーザ光２００が対象物１１０の表面で収束するよう、光源４１やガルバノスキャナ５５を制御する。また、材料１２１は、旋回しながら磁場中心軸４００に向かって収束する。材料１２１とレーザ光２００とは、対象物１１０の表面における大よそ同一地点に向かう。

レーザ光２００は、旋回しながら第１開口部３１３から吐出されて対象物１１０に供給される材料１２１を溶融させる。これにより、対象物１１０に、溶融した材料１２３が供給される。溶融した材料１２３が供給されたり、対象物１１０の表面にレーザ光２００が照射されたりすることで、対象物１１０に溶融プールＰが形成される。

図１の移動装置７１がノズル３３と対象物１１０との間の距離を変化させることで、対象物１１０にレーザ光２００が照射される範囲が変化する。これにより、溶融プールＰの大きさが変化する。溶融プールＰの大きさが変化しても、対象物１１０に到達する際の旋回する材料１２１の運動半径Ｒは、溶融プールＰの半径よりも小さい。このため、旋回する材料１２１は、溶融プールＰに供給される。

材料１２１は、レーザ光２００の周りを旋回する。また、材料１２１は、対象物１１０に到達する前にレーザ光２００を照射され得る。このため、材料１２１は、レーザ光２００によって予備加熱される。加熱された材料１２１は、より早い時点で軟化したり、レーザ光２００によって溶融又は焼結されやすくなったりする。このため、材料１２１は、飛散し難くなり、溶融プールＰにより確実に供給され得る。

複数の材料１２１が対象物１１０に到達する前に溶融し、互いに融合する場合がある。この場合、融合した材料１２１の質量ｍが増加するが、材料１２１の電荷ｅも増加する。このため、融合した材料１２１の運動半径Ｒは、融合する前の材料１２１の運動半径Ｒと略同一である。

以上のように、ノズル３３の先端に対向する対象物１１０の造形スポットに、ノズル３３は、材料１２１を供給するとともにレーザ光２００を照射する。対象物１１０の造形スポットは、第１開口部３１３の中心軸及び磁場中心軸４００の延長線上に位置する。材料１２１は、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中を旋回することで対象物１１０の造形スポットに導かれる。

第２ボディ３０４は、Ｚ軸に沿う方向に延びる円筒状に形成される。第２ボディ３０４は、第１ボディ３０１に重ねられ、第１ボディ３０１を囲む。なお、第２ボディ３０４は、第１ボディ３０１と一体に形成されても良い。

第２ボディ３０４の一方の端部は、第１ボディ３０１の端面３１１を露出させるように開放される。第２ボディ３０４は、端面３２１と、第２開口部３２２と、第３開口部３２３とを有する。

第２ボディ３０４の端面３２１は、露出される第１ボディ３０１の端面３１１を囲む環状に形成される。第２ボディ３０４の端面３２１は、第１ボディ３０１の端面３１１よりも下方に位置する。第２ボディ３０４の端面３２１は、第１ボディ３０１の端面３１１に向かって径が縮小するテーパ状に形成される。

第２開口部３２２は、第２ボディ３０４の端面３２１に開口するとともに、Ｚ軸に沿う方向に延びる環状の孔である。第２開口部３２２は、排出管３５を介して排出装置３２に接続される。排出装置３２は、第２開口部３２２から材料１２１の粉体やヒュームを吸引する。

第３開口部３２３は、第２ボディ３０４の端面３２１に開口するとともに、Ｚ軸に沿う方向に延びる環状の孔である。第３開口部３２３は、第２開口部３２２を囲む。第３開口部３２３は、供給管３４Ａを介して供給装置３１Ａに接続される。供給装置３１Ａは、第３開口部３２３から、シールドガスを供給する。なお、主室２１が真空にされる場合、第２ボディ３０４は、第３開口部３２３を有さなくても良い。

第１の実施の形態に係る積層造形装置１において、磁場生成部３０２は、第１ボディ３０１の第１開口部３１３の内部に磁場中心軸４００を中心軸とする磁場を発生させる。材料１２１は磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中を旋回しながら第１開口部３１３の端部３１３ａからから吐出される。このため、材料１２１が磁場中心軸４００を中心軸とする磁場によって生じる旋回軌道の外へ出ることが抑制され、第１開口部３１３から吐出された材料１２１が例えば溶融プールＰから外れる方向へ拡散することが抑制される。さらに、材料１２１を対象物１１０に向かわせるためのキャリアガスが不要となる。このため、第１開口部３１３の内部と外部との気圧差によって第１開口部３１３の付近で広がるキャリアガスによって材料１２１が飛散したり、キャリアガスによって運動エネルギーを与えられた材料１２１が対象物１１０から跳ね返ったりすることが抑制される。したがって、材料１２１がより正確に対象物１１０に供給され、積層造形物１００の造形の精度が向上する。

さらに、材料１２１は、対象物１１０に到達する際にも磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中を旋回する。このため、材料１２１は、対象物１１０から跳ね返ったとしても、上方ではなく横方向に向かう。このため、跳ね返った材料１２１が第１開口部３１３に戻ることが抑制される。さらに、跳ね返った材料１２１は、第１開口部３１３を囲む第２開口部３２２から、効率良く排出される。

供給部３０３が、第１開口部３１３の内部に、磁場中心軸４００の中心軸に対する周方向に速度Ｖを与えて材料１２１を供給する。これにより、より確実に材料１２１が磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中を旋回でき、材料１２１がより正確に対象物１１０に供給される。

磁場生成部３０２が発生させる磁場中心軸４００を中心軸とする磁場は、材料１２１が吐出される第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って強くなる。旋回する材料１２１の運動半径Ｒは、磁束密度Ｂに反比例するため、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って短くなる。このため、材料１２１は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って磁場中心軸４００に近づくように旋回する。したがって、材料１２１がより正確に対象物１１０に供給される。

磁場生成部３０２のコイル３１５は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って長さ当たりの巻き数が増加する。これにより、コイル３１５が発生させる磁場中心軸４００を中心軸とする磁場は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って強くなり、材料１２１がより正確に対象物１１０に供給される。

磁場生成部３０２は、材料１２１をレーザ光２００の周りに旋回させる、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場を第１開口部３１３の内部に発生させる。すなわち、レーザ光２００が旋回する材料１２１の内側を通る。このため、例えばレーザ光２００が通る部分と材料１２１が通る部分とを壁によって隔てる必要が無く、ノズル３３を小型化することが可能となる。また、積層造形装置１を小型化させることが可能となる。さらに、レーザ光２００によって材料１２１が予備加熱されることで、材料１２１が軟化、溶融又は焼結しやすくなる。このため、材料１２１が対象物１１０に付着しやすくなり、材料１２１が対象物１１０から跳ね返ることがさらに抑制される。

帯電部３１ｃが、第１開口部３１３の内部に供給される材料１２１を帯電させる。これにより、より確実に材料１２１が磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中を旋回できるとともに、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の中を旋回する材料１２１の旋回軌道を制御することができる。

以下に、第２の実施の形態について、図５を参照して説明する。なお、以下の複数の実施形態の説明において、既に説明された構成要素と同様の機能を持つ構成要素は、当該既述の構成要素と同じ符号が付され、さらに説明が省略される場合がある。また、同じ符号が付された複数の構成要素は、全ての機能及び性質が共通するとは限らず、各実施形態に応じた異なる機能及び性質を有していても良い。

図５は、第２の実施の形態に係るノズル３３、光学装置１５、及び対象物１１０を示す断面図である。図５に示すように、第２の実施形態の磁場生成部３０２は、第１コイル３３１と、第２コイル３３２とを有する。第１コイル３３１及び第２コイル３３２は、重ねられる複数のコイルの一例である。

第１コイル３３１は、第１ボディ３０１の外周面３１２に巻き付けられ、Ｚ軸に沿う方向に延びるソレノイドコイルである。なお、第１コイル３３１は、例えば第１開口部３１３の内部に配置されても良い。第１コイル３３１の中心軸は、第１開口部３１３の中心軸と略同一である。第１コイル３３１の長さ当たりの巻き数は略一定である。なお、第１コイル３３１の長さ当たりの巻き数は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って増加してもよい。

第２コイル３３２は、第１コイル３３１の外周に巻き付けられ、Ｚ軸に沿う方向に延びるソレノイドコイルである。言い換えると、第２コイル３３２は、第１コイル３３１に外側から重ねられる。なお、第２コイル３３２は、第１コイル３３１の内側に重ねられてもよい。

第２コイル３３２の中心軸は、第１開口部３１３の中心軸と略同一である。第２コイル３３２の長さ当たりの巻き数は略一定である。なお、第２コイル３３２の長さ当たりの巻き数は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って増加してもよい。また、第１コイル３３１の長さ当たりの巻き数と、第２コイル３３２の長さ当たりの巻き数は、同一であっても良いし、異なっても良い。

Ｚ軸に沿う方向における第２コイル３３２の長さは、第１コイル３３１の長さよりも短い。このため、第２コイル３３２は、第１コイル３３１に部分的に重ねられる。詳しく述べると、第１開口部３１３の端部３１３ａの近傍において、第２コイル３３２は、第１コイル３３１に重ねられる。すなわち、第１開口部３１３の端部３１３ａの近傍において、第１ボディ３０１に第１コイル３３１及び第２コイル３３２が巻き付けられる。一方、供給部３０３の近傍において、第１ボディ３０１に第１コイル３３１のみが巻き付けられる。このように、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って、重ねられるコイル（第１コイル３３１及び第２コイル３３２）の数が増加する。

第１コイル３３１及び第２コイル３３２は、第１開口部３１３の内部に磁場中心軸４００を中心軸とする磁場を発生させる。第１コイル３３１及び第２コイル３３２が巻き付けられる第１開口部３１３の端部３１３ａの近傍における、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の強さは、第１コイル３３１のみが巻き付けられる供給部３０３の近傍における、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の強さよりも強い。このように、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の強さは、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って強くなる。

上記のような第２の実施形態の磁場生成部３０２が発生させる磁場中心軸４００を中心軸とする磁場によっても、材料１２１は、旋回しながら磁場中心軸４００に向かって収束する。なお、磁場生成部３０２のコイルの数は、三つ以上であっても良い。

第２の実施形態の積層造形装置１において、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って、重ねられるコイル（第１コイル３３１及び第２コイル３３２）の数が増加する。これにより、第１コイル３３１及び第２コイル３３２が発生させる磁場中心軸４００を中心軸とする磁場は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って強くなり、材料１２１がより正確に対象物１１０に供給される。

以下に、第３の実施の形態について、図６を参照して説明する。図６は、第３の実施の形態に係るノズル３３、光学装置１５、及び対象物１１０を示す断面図である。図６に示すように、第３の実施形態におけるレーザ光２００は、ノズル３３の外から対象物１１０に照射される。

磁場生成部３０２は、例えばソレノイドコイルによって、第１開口部３１３の内部に磁場中心軸４００を中心軸とする磁場を発生させる。当該ソレノイドコイルの長さ当たりの巻き数は略一定である。このため、磁場生成部３０２によって発生させられる、磁場中心軸４００を中心軸とする磁場の強さは、略一定である。なお、ソレノイドコイルの長さ当たりの巻き数は、第１開口部３１３の端部３１３ａに向かうに従って増加してもよい。

磁場中心軸４００を中心軸とする磁場によって旋回する材料１２１の運動半径Ｒが、供給部３０３の供給口３１８と磁場中心軸４００との間の距離よりも小さい場合、材料１２１は旋回しながら磁場中心軸４００に向かって収束する。材料１２１の磁場中心軸４００に対する距離が運動半径Ｒに達すると、材料１２１は運動半径Ｒを保ちながら旋回し、対象物１１０に供給される。

なお、第３の実施形態の磁場発生部３０２は、第１の実施形態のコイル３１５、又は第２の実施形態の第１コイル３３１及び第２コイル３３２を有しても良い。反対に、第１の実施形態のコイル３１５の長さ当たりの巻き数が、第３の実施形態と同じく略一定であっても良い。

第３の実施形態の積層造形装置１において、レーザ光２００は、ノズル３３の外から対象物１１０に照射される。このため、磁場生成部３０２は、旋回する材料１２１の運動半径Ｒが最初から十分に小さくなるような磁場中心軸４００を中心軸とする磁場を発生させ得る。これにより、ノズル３３が小型化される。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、磁場生成部は、ボディの開口部の内部に磁場を発生させる。粉体は磁場の周りを旋回しながら開口部から吐出される。このため、粉体がより正確に目標に供給される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、出願当初の特許請求の範囲の内容を付記する。
［１］磁場を生成する磁場生成部と、
前記磁場生成部によって内部に前記磁場が生成され、粉体が前記磁場の中を旋回しながら吐出するための開口部を有するボディと、
を具備するノズル。
［２］前記開口部の内部に、前記磁場の中心軸に対する周方向に速度を与えて前記粉体を供給する供給部、をさらに具備する［１］のノズル。
［３］前記磁場生成部が発生させる前記磁場は、前記粉体が吐出される前記開口部の端部に向かうに従って強くなる、［２］のノズル。
［４］前記磁場生成部は、重ねられる複数のコイルを有し、前記開口部の前記端部に向かうに従って重ねられる前記コイルの数が増加する、［３］のノズル。
［５］前記磁場生成部は、前記開口部の前記端部に向かうに従って長さ当たりの巻き数が増加するコイルを有する、［３］又は［４］のノズル。
［６］前記ボディは、前記開口部からエネルギー線を出射し、
前記磁場生成部は、前記粉体が前記エネルギー線の周りを旋回させるように前記磁場を前記開口部の内部に発生させる、
［１］乃至［５］のいずれか一つのノズル。
［７］磁場を生成する磁場生成部と、前記磁場生成部によって内部に前記磁場が生成され、粉体が前記磁場の中を旋回しながら吐出するための開口部を有するボディと、を有するノズルと、
前記粉体を溶融又は焼結するための光学装置と、
を具備する積層造形装置。
［８］前記開口部の内部に供給される前記粉体を帯電させる帯電部、をさらに具備する［７］の積層造形装置。
［９］前記ボディは、前記開口部から前記光学装置により生成されたエネルギー線を出射し、
前記磁場生成部は、前記粉体が前記エネルギー線の周りを旋回する前記磁場を前記開口部の内部に発生させる、
［７］又は［８］の積層造形装置。

１…積層造形装置、３１ｃ…帯電部、３３…ノズル、４１…光源、１２１，１２３…材料、２００…レーザ光、３０１…第１ボディ、３０２…磁場生成部、３０３…供給部、３１３…第１開口部、３１３ａ…端部、３１５…コイル、３３１…第１コイル、３３２…第２コイル、４００…磁場、Ｖ…速度。

Claims (25)

1. 粉体が吐出可能に形成された開口部を有するボディと、帯電した前記粉体が前記ボディ内で旋回すると共に収束するように磁場を生成する磁場生成部と、を有するノズルと、
   前記粉体を帯電させるよう構成された帯電部と、
   前記帯電部により帯電された前記粉体を前記ボディの内部に供給するよう構成された供給部と、
   前記粉体を溶融又は焼結するよう構成された光学装置と、
   を具備する積層造形装置。
2. 粉体が吐出可能に形成された開口部を有するボディと、前記ボディ内に磁場を生成し、帯電した前記粉体を旋回させ前記磁場の中心軸方向に向かわせる磁場生成部と、を有するノズルと、
   前記粉体を帯電させるよう構成された帯電部と、
   前記帯電部により帯電された前記粉体を前記ボディの内部に供給するよう構成された供給部と、
   前記粉体を溶融又は焼結するよう構成された光学装置と、
   を具備する積層造形装置。
3. 前記供給部の供給口は、前記磁場生成部が前記開口部内に生成する前記磁場内に位置するよう構成され、前記帯電部により帯電された前記粉体を前記ボディの内部に供給するよう構成された、
   請求項１又は請求項２の積層造形装置。
4. 前記磁場生成部が筒状である、請求項３の積層造形装置。
5. 前記供給部は、少なくとも部分的に前記開口部の内部に配置されるとともに螺旋状に巻回された管を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか一つの積層造形装置。
6. 前記ノズルは、前記粉体を、前記開口部の一つの端部から吐出する、請求項１乃至請求項５のいずれか一つの積層造形装置。
7. 前記供給部は、前記磁場の中心軸に対する周方向に速度を与えて前記粉体を供給するよう構成された、請求項１乃至請求項６のいずれか一つの積層造形装置。
8. 前記磁場生成部は、前記粉体が吐出される前記開口部の一つの端部に向かうに従って強い前記磁場を生成するよう構成された、請求項１乃至請求項７のいずれか一つの積層造形装置。
9. 前記磁場生成部は、重ねられる複数のコイルを有し、前記開口部の一つの端部に向かうに従って重ねられる前記コイルの数が増加する、請求項１乃至請求項８のいずれか一つの積層造形装置。
10. 前記磁場生成部は、前記開口部の一つの端部に向かうに従って長さ当たりの巻き数が増加するコイルを有する、請求項１乃至請求項８のいずれか一つの積層造形装置。
11. 前記光学装置は、前記開口部の内部を通り、前記開口部の一つの端部から出射される、エネルギー線を出射するよう構成され、
    前記磁場生成部は、前記ボディ内において前記粉体が前記エネルギー線の周りを旋回するように前記磁場を生成するよう構成された、
    請求項１乃至請求項１０のいずれか一つの積層造形装置。
12. 粉体が吐出可能に形成された開口部を有するボディと、
    前記ボディ内に供給される帯電した前記粉体が旋回すると共に収束するように磁場を生成する磁場生成部と、
    を具備するノズル。
13. 粉体が吐出可能に形成された開口部を有するボディと、
    前記ボディ内に磁場を生成し、供給される帯電した前記粉体を旋回させ前記磁場の中心軸方向に向かわせる磁場生成部と、
    を具備するノズル。
14. 帯電した状態の前記粉体を、前記ボディの内部に供給するよう構成された供給部、
    をさらに具備する、請求項１２又は請求項１３のノズル。
15. 前記供給部の供給口は、前記磁場生成部が前記開口部内に生成する前記磁場内に位置するよう構成され、帯電した状態の前記粉体を前記ボディの内部に供給するよう構成された、
    請求項１４のノズル。
16. 前記磁場生成部が筒状である、請求項１５のノズル。
17. 前記供給部は、少なくとも部分的に前記開口部の内部に配置されるとともに螺旋状に巻回された管を有する、請求項１４乃至請求項１６のいずれか一つのノズル。
18. 前記ボディは、前記粉体を、前記開口部の一つの端部から吐出する、請求項１２乃至請求項１７のいずれか一つのノズル。
19. 前記供給部は、前記磁場の中心軸に対する周方向に速度を与えて前記粉体を供給するよう構成された、請求項１４乃至請求項１７のいずれか一つのノズル。
20. 前記磁場生成部は、前記粉体が吐出される前記開口部の一つの端部に向かうに従って強い前記磁場を生成するよう構成された、請求項１２乃至請求項１９のいずれか一つのノズル。
21. 前記磁場生成部は、重ねられる複数のコイルを有し、前記開口部の一つの端部に向かうに従って重ねられる前記コイルの数が増加する、請求項１２乃至請求項２０のいずれか一つのノズル。
22. 前記磁場生成部は、前記開口部の一つの端部に向かうに従って長さ当たりの巻き数が増加するコイルを有する、請求項１２乃至請求項２０のいずれか一つのノズル。
23. 前記ボディは、前記開口部の内部を通り、前記開口部の一つの端部から出射される、エネルギー線を出射するよう構成され、
    前記磁場生成部は、前記ボディ内において前記粉体が前記エネルギー線の周りを旋回するように前記磁場を生成するよう構成された、
    請求項１２乃至請求項２２のいずれか一つのノズル。
24. 帯電した状態の粉体をボディの内部に供給することと、
    前記ボディ内に磁場を生成し、供給された前記粉体を旋回させると共に収束することと、
    収束させた前記粉体を対象物に供給することと、
    を備える粉体供給方法。
25. ボディの内部に帯電した状態の粉体を供給することと、
    前記ボディ内に磁場を生成し、供給された前記粉体を旋回させると共に収束することと、
    前記粉体を前記ボディの開口部から吐出し対象物に供給することと、
    前記粉体を溶融又は焼結することと、
    を備える積層造形方法。

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