JP6289565B2 - 加工ノズル、加工ヘッド、加工装置、加工方法および加工プログラム - Google Patents

Description

本発明は、加工ノズル、加工ヘッド、加工装置、加工方法および加工プログラムに関する。

上記技術分野において、特許文献１には、ノズルから射出されるレーザのスポット位置を微調整する機構を設けている。

特表２０１１−５２６２１１号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、高速になるに従いレーザ光で形成した溶融プールは進行方向の後方に位置し、前方方向に供給された紛体は溶融されず、粉体の供給を効率的に行なうことができなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工ノズルは、
エネルギー線によって加工面上に形成された溶融プールに対して粉体材料を射出するため、前記エネルギー線が通過するエネルギー線経路を構成する内側筐体と、前記内側筐体と前記紛体材料の流路としての間隙を介して配置された外側筐体と、を含む、粉体射出手段と、
前記内側筐体と前記外側筐体の相対的な水平方向位置を調整することにより、前記粉体射出手段によって形成される粉体スポットの形状を、造形条件に応じて変化させる調整手段と、
を備えた。
本発明にかかる加工ヘッドは、
前記加工ノズルと、
前記エネルギー線を集束させる集束装置と、
を含む。
本発明にかかる加工装置は、
上記加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに前記紛体材料を供給する材料供給部と、
前記加工ノズルを制御し、前記紛体材料のスポット径を制御する制御部と、
を備えた。

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工方法は、
加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
造形条件に応じて、前記エネルギー線が通過するエネルギー線経路を構成する内側筐体と、前記内側筐体と前記紛体材料の流路としての間隙を介して配置された外側筐体との、相対的な水平方向位置を調整することにより、紛体スポット形状を変化させるステップと、
を含む。

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工プログラムは、
加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
造形条件に応じて、前記エネルギー線が通過するエネルギー線経路を構成する内側筐体と、前記内側筐体と前記紛体材料の流路としての間隙を介して配置された外側筐体との、相対的な水平方向位置を調整することにより、紛体スポット形状を変化させるステップと、
をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、加工ノズルからの粉体の供給を効率的に行なうことができる。

本発明の第１実施形態に係る加工ノズルの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る加工ノズルの構成および動作を示す簡略構成図である。 溶融プールの形状について説明するための温度分布図である。 溶融プールの形状について説明するための温度分布図である。 本発明の第２実施形態に係る加工ノズルの構成を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。 本発明の第３実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。 本発明の第４実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。 本発明の第５実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。 本発明の第６実施形態に係る加工ノズルの構成および動作を示す簡略構成図である。 本発明の第６実施形態に係る加工ノズルの構成を示す概略図である。 本発明の第７実施形態に係る光加工装置の構成を示す概略図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての加工ノズル１００について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る加工ノズル１００の概略構成図である。加工ノズル１００は、エネルギー線１１０により加工面１２０上に形成された溶融プール１２１に向けて粉体材料１３０を射出させて加工を行なうためのノズルである。加工ノズル１００は、粉体射出部１０１と、調整部１０２とを備える。

粉体射出部１０１は、エネルギー線１１０によって加工面１２０上に形成された溶融プール１２１に対して粉体材料１３０を射出する。

調整部１０２は、粉体射出部１０１によって形成される粉体材料の射出領域（スポット）の形状および／または位置を溶融プールの形状に合わせて調整する。

エネルギー線１１０の線源としては、ここではレーザ光源を用いることとするが、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。材料の溶融に使うエネルギー線はレーザ光に限るものではなく、加工面で加工材料を溶融することができるものであればどのようなエネルギー線でもよい。例えば電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などのエネルギー線であってもよい。

以上の構成によれば、造形条件を変更する場合にも、加工ノズルを交換する必要なく、溶融プールに合わせて粉体材料の射出領域を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る加工ノズル２００について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る加工ノズル２００の構成および動作を簡略的に説明するための図である。

加工ノズル２００は、エネルギー線としてのレーザ光２１０により加工面２２０上に形成した溶融プール２２１に向けて粉体材料２３０を射出させて加工を行なうためのノズルである。加工ノズル２００は、粉体射出部２０１と、調整部２０２とを備える。粉体射出部２０１は、レーザ光２１０が通過する光線経路を構成する内側筐体２１１と、内側筐体２１１と粉体材料２３０の流路としての間隙２１３を介して配置された外側筐体２１２と、を含む。

内側筐体２１１は、筒状であって、レーザ光２１０が通過する経路を内部に備え、その一端からレーザ光２１０を射出する。内側筐体２１１の外面はレーザ光２１０の射出方向に向けて絞られている。外側筐体２１２も筒状であって、内側筐体２１１を内包し、内側筐体２１１から射出されるレーザ光２１０の射出方向に内面が絞られている。このような構造にすることで、粉体材料２３０を溶融プール２２１に向けて射出することができる。そして、内側筐体２１１の外面と外側筐体２１２の内面との間隙２１３が粉体材料２３０の射出口を形成し、調整部２０２により射出口の形状が変化する。なお、図２では、内側筐体２１１および外側筐体２１２の下流端が共に円錐筒形状として表わされているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、両方が多角錐筒形状であってもよい。また、内側筐体２１１が円筒形状で、外側筐体２１２の下流端のみが円錐筒形状であってもよい。

調整部２０２は、内側筐体２１１と外側筐体２１２の相対的な位置を調整する。ここでは、調整部２０２は、内側筐体２１１と外側筐体２１２の相対的な水平方向位置（レーザ光２１０と垂直をなす平面上の位置）を調整する。特に、移動方向２２２の逆方向に外側筐体２１２のみを水平移動（スライド）させることにより、図２の左側の状態から右側の状態へ遷移させる。これにより、溶融プール２２１において、レーザ光２１０よりも移動方向下流側に対して射出される粉体材料２３１の量が、移動方向上流側に対して射出される粉体材料２３２よりも多くなる。つまり、調整部２０２は、粉体射出部２０１によって形成される粉体スポットの形状および／または位置を加工面２２０上における溶融プール２２１の移動方向２２２に応じて調整する。

図３、図４に溶融プールの温度分布を示す。図３において横方向が移動方向（走査方向）であり、縦方向が移動方向と直交するＹ方向（副走査方向）である。図４において横方向が移動方向（走査方向）であり、縦方向が加工面と直交する方向（Ｚ方向）である。原点（０，０）がレーザ光のスポットである。この温度分布を見れば、移動方向下流側に向けて溶融プールが広がっていることが分かる。したがって、粉体材料も、移動方向上流側よりも下流側に多く射出すべきということが分かる。

図５を用いて、加工ノズル２００のより具体的な構成について説明する。図５に示すように、加工ノズル２００は、調整部２０２として、Ｘ方向駆動部５２１と、Ｙ方向駆動部５２２と、それらの駆動部を駆動するドライバ５２３と、ドライバ５２３を制御するコントローラ５２４と溶融プール２２１の形状を検出する検出部５２５とを含む。検出部５２５は、例えば、加工面２２０を撮像する撮像手段であり、撮像した画像から、溶融プール２２１の形状を検出する。コントローラ５２４は、検出した溶融プール２２１の形状に合わせて、ドライバ５２３に対して、外側筐体２１２の移動を指示する。ドライバ５２３は、コントローラ５２４から受けた指示に応じて、Ｘ方向駆動部５２１およびＹ方向駆動部５２２に駆動コマンドを送信する。このようにして、内側筐体２１１に対する外側筐体２１２の水平方向位置を変化させ、粉体スポットの形状および／または位置を調整する。

図６は、加工ノズル２００の機械的な構成を示す縦断面図である。図７は、加工ノズル２００の底面図である。加工ノズル２００は、筐体ホルダ６０１に固定されたノズルホルダ６０２に取り付けられる。外側筐体２１２には、材料供給部６０６が設けられている。内側筐体２１１は、ノズルホルダ６０２に固定され、外側筐体２１２は、ＸＹステージ６０３上において、内側筐体２１１に対して、水平方向に移動可能である。また、この図では、調整部２０２として、駆動モータ６０９を備えている。また、外側筐体２１２の上端には、シール６０７が取り付けられており、外側筐体２１２が水平方向に移動しても、内側筐体２１１との隙間から粉体材料が漏れないように構成されている。

図７に示すように、加工ノズル２００は、Ｘ軸方向用の駆動モータ７１１とＹ軸方向用の駆動モータ７１２を備えている。駆動モータ７１１、７１２は、ＸＹステージ６０３を移動させ、内側筐体２１１と外側筐体２１２との空間（ノズル隙間）を変位させることで紛体材料の流れを変化させる。つまり、変化する走査方向に対して追従して、コントローラ５２４の指示値のもとにＸＹ方向に外側筐体２１２を変位できる。

加工ノズル２００の底面には、レーザ光の射出口７１３と粉体材料の射出口７１４が表われる。レーザ光の射出口７１３は、内側筐体２１１の下流側端部開口であり、粉体材料の射出口７１４は、内側筐体２１１の下流側端部の外周縁と、外側筐体２１２の下流側端部の内周縁との間隙である。

Ｘ軸方向用の駆動モータ７１１とＹ軸方向用の駆動モータ７１２が内側筐体２１１に対する外側筐体２１２の水平方向位置を変更することにより、粉体材料の射出口７１４の形状・位置が変化し、これに応じて粉体スポットの形状も変化する。例えば図７のように、内側筐体２１１と外側筐体２１２とが同心円に配置された状態（上図）と、ずれた状態（下図）との間で状態が遷移する。

以上、本実施形態によれば、造形条件を変更する場合にも、加工ノズルを交換する必要なく、溶融プールに合わせて粉体材料の射出領域を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る加工ノズル８００について、図８、図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る加工ノズル８００の構成を説明するための縦断面図である。図９は、加工ノズル８００の底面図である。本実施形態に係る加工ノズル８００は、上記第２実施形態と比べると、外側筐体２１２とは異なる形状の外側筐体８１２を有し、駆動モータ６０９により、内側筐体２１１を水平方向に移動させる点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

本実施形態によれば、外側筐体８１２を固定して内側筐体２１１を水平方向に移動させたので、第２実施形態に比べて、材料供給部６０６の構成を簡易化することができる。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る加工ノズル１０００について、図１０、図１１を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る加工ノズル１０００の構成を説明するための縦断面図である。図１１は、加工ノズル１０００の底面図である。本実施形態に係る加工ノズル１０００は、上記第２実施形態と比べると、駆動モータ７１１、７１２の代わりに４つのピエゾ素子１００１〜１００４とピエゾドライバ１０２３とを有する点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

本実施形態によれば、調整部として、駆動モータの代わりにピエゾ素子１００１〜１００４を用いたので、第２実施形態に比べて、粉体材料の射出領域の変化の応答性を高めることができる。

［第５実施形態］
次に本発明の第５実施形態に係る加工ノズル１２００について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態に係る加工ノズル１２００の構成を説明するための縦断面図である。本実施形態に係る加工ノズル１２００は、上記第４実施形態と比べると、ピエゾ素子１２０１、１２０２を用いて内側筐体２１１を移動させる点で異なる。その他の構成および動作は、第４実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

本実施形態によれば、外側筐体８１２を固定してピエゾ素子１２０１，１２０２を用いて内側筐体２１１を移動させたので、第２実施形態に比べて、粉体材料の射出領域の変化の応答性を高めつつ、粉体供給部６０６の構成を簡易化することができる。

［第６実施形態］
次に本発明の第６実施形態に係る加工ノズル１３００について、図１３乃至図１５を用いて説明する。図１３は、本実施形態に係る加工ノズル１３００の構成を説明するための縦断面図である。本実施形態に係る加工ノズル１３００は、上記第２実施形態と比べると、内側筐体２１１の軸と外側筐体２１２の軸とが為す相対的な角度が変わることで、粉体射出口の形状が変わり、ひいては粉体スポットの形状が変わる点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

図１３は、本実施形態に係る加工ノズル１３００の構成および動作を簡略的に説明するための図である。

加工ノズル１３００は、エネルギー線としてのレーザ光２１０により加工面２２０上に形成した溶融プール２２１に向けて、粉体材料２３０を射出させて加工を行なうためのノズルである。加工ノズル２００は、粉体射出部１３０１と、調整部１３０２とを備える。

粉体射出部１３０１は、レーザ光２１０が通過する光線経路を構成する内側筐体２１１と、内側筐体２１１と間隙２１３を介して配置された外側筐体１３１２と、を含む。

外側筐体１３１２も筒状であって、内側筐体２１１を内包し、内側筐体２１１から射出されるレーザ光２１０の射出方向に内面が絞られている。そして、内側筐体２１１の外面と外側筐体１３１２の内面との間隙が粉体材料２３０の射出口を形成し、調整部１３０２により射出口の形状が変化する。

調整部１３０２は、内側筐体２１１と外側筐体１３１２の相対的な位置を調整する。ここでは、調整部１３０２は、内側筐体２１１と外側筐体１３１２の相対的な角度を調整する。特に、移動方向２２２に対して逆方向に外側筐体１３１２のみを傾斜させることにより、図２の左側の状態から右側の状態へ遷移させる。これにより、溶融プール２２１において、レーザ光２１０よりも移動方向下流側に対して射出される粉体材料２３１の量が、移動方向上流側に対して射出される粉体材料２３２よりも多くなる。つまり、調整部１３０２は、粉体射出部１３０１によって形成される粉体スポットの形状および／または位置を加工面２２０上における溶融プール２２１の移動方向２２２に応じて調整する。

図１４を用いて、加工ノズル２００のより具体的な構成について説明する。図１４に示すように、加工ノズル１３００は、調整部１３０２として、Ｚ方向駆動部１４０１〜１４０４と、それらの駆動部を駆動するドライバ１４２３と、ドライバ１４２３を制御するコントローラ１４２４とを含む。このようにして、内側筐体２１１に対する外側筐体１３１２の角度を変化させ、粉体スポットの形状および／または位置を調整する。

図１５は、加工ノズル１３００の機械的な構成を示す縦断面図である。内側筐体２１１は、ノズルホルダ６０２に固定され、外側筐体１３１２は、内側筐体２１１に対して、Ｚ方向駆動部１４０１〜１４０４により、Ｚ方向に変位可能であり、結果として、内側筐体２１１に対して傾斜することができる。ここでは、Ｚ方向駆動部の例として、４つのピエゾ素子を備えている。また、外側筐体１３１２の上端には、シール６０７が取り付けられており、外側筐体１３１２が傾斜しても、内側筐体２１１との隙間から粉体材料が漏れないように構成されている。

本実施形態によれば、内側筐体２１１に対して外側筐体１３１２を傾斜させることにより、粉体射出部１３０１によって形成される粉体スポットの形状および／または位置を加工面２２０上における溶融プール２２１の移動方向２２２に応じて調整した。これにより、第２実施形態と同様に、溶融プールに合わせて粉体材料の射出領域を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。

［第７実施形態］
本発明の第７実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)について、図１６を用いて説明する。光加工装置１６００は、上述の実施形態で説明した加工ノズル１００、２００、８００、１０００、１２００、１４００のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で材料を溶融することにより三次元的な造形物（あるいは肉盛溶接）を生成する装置である。ここでは一例として、加工ノズル２００を備えた光加工装置１６００について説明する。

《装置構成》
光加工装置１６００は、光源１６０１、光伝送部１６１５、ステージ１６０５、材料収容装置１６０６、材料供給部１６３０、加工ヘッド１６０８および制御部１６０７を備えている。

光源１６０１としては、ここではレーザ光源を用いることとするが、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。材料の溶融に使うエネルギー線はレーザ光に限るものではなく、加工面で粉体材料を溶融することができるものであればどのようなエネルギー線でもよい。例えば電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などのエネルギー線であってもよい。

光伝送部１６１５は、例えばコア径がφ０．０１〜１ｍｍの光ファイバであり、光源１６０１で発生した光を加工ヘッド１６０８に導く。

ステージ１６０５は、Ｘステージ、あるいはＸＹステージ、あるいはＸＹＺステージである。ＸＹＸの各軸は駆動することが可能である。

材料収容装置１６０６は、加工ヘッド１６０８に対し、材料供給部６０６を介して材料を含むキャリアガスを供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子などの粒子である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、でよい。材料供給部６０６は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流を加工ノズル２００へと導く。ただし、材料が線材の場合は、キャリアガスは不要となる。

加工ヘッド１６０８は、エネルギー線としての光を集束させる集束装置を内部に備え、その集束装置の下流に、加工ノズル２００が取り付けられている。加工ヘッド１６０８に供給されたレーザ光は、内部に設けられたレンズ等からなる光学系を介することで、加工面２２０において集光するように調整されている。光学系は、レンズ間隔等を制御することで、集光位置を制御可能に設けられている。

また図示はしていないが、光加工装置１６００は、加工ヘッド１６０８の姿勢および位置を制御する姿勢制御機構および位置制御機構を備えてもよく、その場合、加工ヘッド１６０８の姿勢および位置を変えて、加工面上の加工領域を移動させる。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、加工ヘッド１６０８を固定しつつ、ステージ１６０５の姿勢および位置を変えて、加工面上の加工領域を移動させてもよい。

コントローラ５２４は、細書き／太書きや造形物の形状などの造形条件を入力し、入力した造形条件に応じて光源１６０１からのレーザ光の出力値、加工ヘッド１６０８の位置および向き、ステージ１６０５の位置などを変更すると共に、加工ノズル２００の機械的な構成を変化させ、粉体スポット形状を変化させる。これにより、加工ノズル２００から射出される粉体材料による粉体スポット径を溶融プール径に合わせて制御することができる。

《装置動作》
次に、光加工装置１６００の動作について説明する。造形物１６１０は、ステージ１６０５の上で作成される。加工ヘッド１６０８から射出される射出光は、造形物１６１０上の加工面２２０において集光される。加工面２２０は、集光によって昇温され、溶融され、一部に溶融プールを形成する。

材料は加工ノズル２００から加工面２２０の溶融プール２２１へと射出される。そして、溶融プール２２１に材料が溶け込む。その後、溶融プール２２１が冷却され、固化することで加工面２２０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。

以上の構成によれば、溶融プールの形状に合わせて粉体材料のスポット位置および形状を制御し、粉体射出の調整を行うことができる。したがって、溶融領域に効率よく粉体材料を供給できる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (6)

1. エネルギー線によって加工面上に形成された溶融プールに対して粉体材料を射出するため、前記エネルギー線が通過するエネルギー線経路を構成する内側筐体と、前記内側筐体と前記紛体材料の流路としての間隙を介して配置された外側筐体と、を含む、粉体射出手段と、
   前記内側筐体と前記外側筐体の相対的な水平方向位置を調整することにより、前記粉体射出手段によって形成される粉体スポットの形状を、造形条件に応じて変化させる調整手段と、
   を備えた加工ノズル。
2. 前記調整手段は、前記加工面上における前記溶融プールの移動方向に応じて、前記粉体射出手段によって形成される前記粉体スポットの形状を調整する請求項１に記載の加工ノズル。
3. 請求項１または２に記載の加工ノズルと、
   前記エネルギー線を集束させる集束装置と、
   を含むことを特徴とする加工ヘッド。
4. 請求項３に記載の加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドに前記紛体材料を供給する材料供給部と、
   前記加工ノズルを制御し、前記紛体材料のスポット径を制御する制御部と、
   を備えた加工装置。
5. 加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
   紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
   前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
   造形条件に応じて、前記エネルギー線が通過するエネルギー線経路を構成する内側筐体と、前記内側筐体と前記紛体材料の流路としての間隙を介して配置された外側筐体との、相対的な水平方向位置を調整することにより、紛体スポット形状を変化させるステップと、
   を含む加工方法。
6. 加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
   紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
   前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
   造形条件に応じて、前記エネルギー線が通過するエネルギー線経路を構成する内側筐体と、前記内側筐体と前記紛体材料の流路としての間隙を介して配置された外側筐体との、相対的な水平方向位置を調整することにより、紛体スポット形状を変化させるステップと、
   をコンピュータに実行させる加工プログラム。

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