JP6529610B2 - 付加加工用ヘッドおよび加工機械 - Google Patents

Description

この発明は、付加加工用ヘッド、加工機械および加工方法に関する。

付加加工を実現するための従来の装置として、たとえば、特開２００９−２５９８６０号公報（特許文献１）には、良好な加工品質で加工を行なうことを目的とした、レーザ加工装置が開示されている。

特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持台と、レーザ光源を出射したレーザビームから、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成し、保持台に保持された加工対象物に半径可変に入射させる光学系と、輪帯状のレーザビームの半径が変化した時に、輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変化を抑制する向きに、レーザ光源の出力または輪帯状のレーザビームの幅を変化させる制御装置を備える。

そのほか、特開２００９−１８６９３６号公報（特許文献２）、特開２００８−２６００３５号公報（特許文献３）、特開２００８−１３４４６８号公報（特許文献４）、特開２０１２−１１５８５４号公報（特許文献５）、特開昭６２−１７７１０７号公報（特許文献６）、特開昭５７−１０２２６７号公報（特許文献７）および特開２００４−３２２１８３号公報（特許文献８）にも、付加加工を実現するための各種装置が開示されている。

特開２００９−２５９８６０号公報 特開２００９−１８６９３６号公報 特開２００８−２６００３５号公報 特開２００８−１３４４６８号公報 特開２０１２−１１５８５４号公報 特開昭６２−１７７１０７号公報 特開昭５７−１０２２６７号公報 特開２００４−３２２１８３号公報

材料を付着することによってワークに３次元形状を作成するものとして、付加加工法（Additive manufacturing）がある。付加加工では、加工前後でワークの質量が増加する。そのような付加加工法の一例として、指向性エネルギー堆積法（Directed Energy Deposition Method）と、粉末床溶融法（Powder Bed Fusion Method）とがある。指向性エネルギー堆積法のプロセスでは、付加加工用ヘッドからワークに対して材料（代表例としては、材料粉末）を供給するとともに、レーザ光を照射する。粉末床溶融法のプロセスでは、粉末床の表面付近を熱により選択的に溶融・固化して積層する。

指向性エネルギー堆積法の有利な点を挙げると、次のとおりである。
（ａ）粉末床溶融法と比較して、材料粉末を高速で堆積することができる。
（ｂ）複数の材料粉末を、同時に堆積することができる。
（ｃ）ベースとなる材料とは異なる種類の材料粉末が供給されることにより、堆積される材料を被覆することができる。
（ｄ）付加加工用ヘッドを広域で移動させることにより、大きいサイズのワークに対して付加加工を行なうことができる。
（ｅ）材料粉末を部分的に堆積させることが可能であるため、指向性エネルギー堆積法を用いて、金型やブレードなどを修復するプロセスに利用することができる。

他方、指向性エネルギー堆積法の不利な点を挙げると、次のとおりである。
（ａ）材料粉末の堆積精度が、粉末床溶融法よりも劣る。
（ｂ）レーザ出力、材料粉末供給量、キャリアガス供給量および送り速度など、プロセスのパラメータの組み合わせが、複雑である。そのことが、これらパラメータの最適化を困難としている。

また、指向性エネルギー堆積法では、レーザ光の照射により形成されたワーク表面の溶融池（メルトプール）に近い領域が、シールドガスの使用によって不活性ガスの環境下とされる一方、加工チャンバは、通常の大気解放された雰囲気下である。これは、特に大きい加工機械においては、指向性エネルギー堆積法のもう１つの有利な点であり、粉末床溶融法のように、完全にシールされた加工チャンバを、高価なガスにより充填する必要がない。加工機械には、切屑を機外に排出するためのチップコンベアなどが必要となるため、また、大型機においては、加工チャンバを完全にシールすることが難しいため、指向性エネルギー堆積法を用いて、付加加工および除去加工が可能な加工機械を開発する利点がある。

このように指向性エネルギー堆積法は、多くの有利な点を有するが、材料粉末の利用効率は、プロセスにおけるパラメータの組み合わせに依存する。材料粉末の利用効率が低いと、以下の問題が生じる。
（ａ）材料粉末が高価であるため、加工チャンバに積もった材料粉末を集める装置が必要となる。集められなかった材料粉末は、廃棄されることになる。
（ｂ）加工チャンバのメンテナンスが困難になる。材料粉末がガイドのような機構に侵入した場合、加工機械の故障の原因となる。
（ｃ）アルミニウムのような材料粉末は、適切な処理が必要となる。

しかしながら、上記のとおり、指向性エネルギー堆積法では、プロセスのパラメータの組み合わせが複雑であり、また、レーザ光の外周側から材料粉末を供給すると、メルトプールの外側に材料粉末が飛散することを解消することが難しいため、材料粉末の利用効率を１００％に近い状態にすることは極めて困難である。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、指向性エネルギー堆積法において、材料粉末の利用効率を向上させることが可能な付加加工用ヘッドおよび加工機械を提供することである。

この発明に従った付加加工用ヘッドは、ワークに対して材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう付加加工用ヘッドである。付加加工用ヘッドは、レーザ光をリング状に形成する光学部品と、リング状のレーザ光をワークに向けて出射するレーザ光出射部と、レーザ光出射部から出射されるリング状のレーザ光の内側に配置され、材料粉末を排出する排出口を有し、排出口からワークに向けて材料粉末を供給する材料供給部とを備える。材料供給部は、材料粉末を送り出し可能なパイプ形状を有する。レーザ光出射部は、ワークに向けて出射されるリング状のレーザ光を集光させる集光レンズを有する。集光レンズには、パイプ形状を有する材料供給部が挿通される貫通孔が形成される。
この発明の別の局面に従った付加加工用ヘッドは、ワークに対して材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう付加加工用ヘッドである。付加加工用ヘッドは、レーザ光をリング状に形成する光学部品と、リング状のレーザ光をワークに向けて出射するレーザ光出射部と、レーザ光出射部から出射されるリング状のレーザ光の内側に配置され、材料粉末を排出する排出口を有し、排出口からワークに向けて材料粉末を供給する材料供給部とを備える。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、材料供給部の排出口がリング状のレーザ光の内側に配置されるため、ワークに向けて材料粉末の供給する位置をレーザ光が照射されるワーク表面上の領域に近接して配置することができる。これにより、材料粉末の利用効率を向上させることができる。

また好ましくは、レーザ光出射部は、ワークに向けて出射されるリング状のレーザ光を集光させる集光レンズを有する。集光レンズには、材料供給部が挿通される貫通孔が形成される。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、簡易な構成により、材料供給部の排出口をリング状のレーザ光の内側に配置することができる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドは、レーザ光出射部からワークに向けて出射されるリング状のレーザ光の中心軸上に配置され、光学部品からのレーザ光をレーザ光出射部に向けて案内するガイドミラーをさらに備える。ガイドミラーには、材料供給部が挿通される貫通孔が形成される。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、簡易な構成により、材料供給部の排出口をリング状のレーザ光の内側に配置することができる。

また好ましくは、排出口からワークに向けた材料粉末の供給と、レーザ光出射部からワークに向けたリング状のレーザ光の出射とは、共軸である。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、材料供給部の排出口を、レーザ光が照射されるワーク表面上の領域により近接して配置することができる。

また好ましくは、光学部品は、レーザ光を、円形、矩形または三角形のリング形状に形成するように構成される。

このように構成された付加加工用ヘッドによれば、ワークに対して材料粉末を供給するとともに、円形、矩形または三角形のリング状のレーザ光を照射することによって付加加工を行なう。

この発明に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、上述のいずれかに記載の付加加工用ヘッドと、ワークを保持するワーク保持部と、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部とを備える。

このように構成された加工機械によれば、加工機械による付加加工時、材料粉末の利用効率を向上させることができる。

この発明に従った加工方法は、ワークに対して材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう加工方法である。加工方法は、ワークに向けてリング状のレーザ光を出射することにより、ワーク表面にレーザ光照射領域を形成する工程と、ワークに向けて出射されるリング状のレーザ光の内側から、レーザ光照射領域の外周縁よりも内側の範囲を含むワーク表面上の領域に向けて材料粉末を供給する工程とを備える。ワークに向けて出射されるレーザ光は、その進行方向において、焦点位置に近づくに従って収束する収束区間と、焦点位置から遠ざかるに従って拡散する拡散区間とを有する。レーザ光照射領域を形成する工程時、収束区間におけるレーザ光によって、ワーク表面に、レーザ光の光軸周りで帯状に周回する形状を有するレーザ光照射領域を形成する。
この発明の別の局面に従った加工方法は、ワークに対して材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう加工方法である。加工方法は、ワークに向けてリング状のレーザ光を出射することにより、ワーク表面にレーザ光照射領域を形成する工程と、ワークに向けて出射されるリング状のレーザ光の内側から、レーザ光照射領域の外周縁よりも内側の範囲を含むワーク表面上の領域に向けて材料粉末を供給する工程とを備える。

このように構成された加工方法によれば、ワーク表面により近い位置からワークに向けて材料粉末を供給することができる。これにより、材料粉末の利用効率を向上させることができる。

また好ましくは、ワークに向けて出射されるレーザ光は、その進行方向において、焦点位置に近づくに従って収束する収束区間と、焦点位置から遠ざかるに従って拡散する拡散区間とを有する。レーザ光照射領域を形成する工程時、焦点位置または収束区間におけるレーザ光によって、ワーク表面にレーザ光照射領域を形成する。

このように構成された加工方法によれば、ワーク表面により近い位置からワークに向けて材料粉末を供給することができる。

また好ましくは、ワークに向けて出射されるレーザ光は、その進行方向において、焦点位置に近づくに従って収束する収束区間と、焦点位置から遠ざかるに従って拡散する拡散区間とを有する。レーザ光照射領域を形成する工程時、拡散区間におけるレーザ光によって、ワーク表面にレーザ光照射領域を形成する。

このように構成された加工方法によれば、ワーク表面の手前で材料粉末がレーザ光により加熱されるため、材料粉末がワークに付着し易くなる。これにより、材料粉末の利用効率をさらに向上させることができる。

また好ましくは、ワークに向けた材料粉末の供給と、ワークに向けたリング状のレーザ光の出射とは、共軸である。

このように構成された加工方法によれば、ワーク表面により近い位置からワークに向けて材料粉末を供給することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、指向性エネルギー堆積法において、材料粉末の利用効率を向上させることが可能な付加加工用ヘッドおよび加工機械を提供することができる。

この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。 図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。 図１および図２中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す図である。 この発明の実施の形態における加工方法において、付加加工時のワーク表面を示す断面図である。 図４中のワーク表面を示す平面図である。 ワークに向けて出射されるレーザ光と、ワークとの位置関係を示す図である。 図５中のレーザ光照射領域の第１変形例を示すワーク表面の平面図である。 図５中のレーザ光照射領域の第２変形例を示すワーク表面の平面図である。 図３中の材料粉末供給パイプの変形例を示す斜視図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。図１中には、加工機械の外観をなすカバー体を透視することにより、加工機械の内部が示されている。図２は、図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。

図１および図２を参照して、加工機械１００は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive manufacturing）加工）と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機である。加工機械１００は、ＳＭ加工の機能として、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する。

まず、加工機械１００の全体構造について説明すると、加工機械１００は、ベッド１３６、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を有する。

ベッド１３６は、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を支持するためのベース部材であり、工場などの据付け面に設置されている。第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１は、スプラッシュガード２１０により区画形成された加工エリア２００に設けられている。

第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、水平方向に延びるＺ軸方向において、互いに対向して設けられている。第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、それぞれ、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させるための第１主軸１１２および第２主軸１１７を有する。第１主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられ、第２主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能に設けられている。第１主軸１１２および第２主軸１１７には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構が設けられている。

第２主軸台１１６は、各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｚ軸方向に移動可能に設けられている。

工具主軸（上刃物台）１２１は、回転工具を用いたミーリング加工時に回転工具を回転させる。工具主軸１２１は、鉛直方向に延びるＸ軸に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸１２１には、回転工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構が設けられている。

工具主軸１２１は、図示しないコラム等によりベッド１３６上に支持されている。工具主軸１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に移動する。工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている。

なお、図１中には示されていないが、第１主軸台１１１の周辺には、工具主軸１２１に装着された工具を自動交換するための自動工具交換装置と、工具主軸１２１に装着する交換用の工具を収容する工具マガジンとが設けられている。

下刃物台１３１は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。下刃物台１３１は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、下刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０６を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、固定工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が中心軸２０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

下刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１３６上に支持されている。下刃物台１３１は、サドル等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１をさらに有する。付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料を供給するとともにレーザ光（レーザビーム）を照射することにより付加加工を行なう（指向性エネルギー堆積法（Directed Energy Deposition））。本実施の形態では、付加加工用ヘッド２１が、ワークに対して材料粉末を供給する。材料粉末としては、たとえば、ステンレス、インコネル（登録商標）またはチタン合金などを利用することができる。

付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に着脱可能に設けられている。付加加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１に装着される。工具主軸１２１が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の加工位置が３次元的に変位する。除去加工時、付加加工用ヘッド２１は、工具主軸１２１から分離され、図示しないヘッドストッカに格納される。

工具主軸１２１には、クランプ機構が設けられており、工具主軸１２１に対する付加加工用ヘッド２１の装着時、そのクランプ機構が動作することによって、付加加工用ヘッド２１が工具主軸１２１に連結される。クランプ機構の一例として、バネ力によりクランプ状態を得て、油圧によりアンクランプ状態を得る機構が挙げられる。

加工機械１００は、パウダーフィーダ７０と、レーザ発振装置７６と、ケーブル２４とをさらに有する。

パウダーフィーダ７０は、付加加工に用いられる材料粉末を、加工エリア２００内の付加加工用ヘッド２１に向けて導入する。パウダーフィーダ７０は、タンク部としてのパウダーホッパー７２と、混合部７１とを有する。パウダーホッパー７２は、付加加工に用いられる材料粉末を収容するための密閉空間を形成する。混合部７１は、パウダーホッパー７２に収容された材料粉末と、材料粉末のキャリア用のガスとを混合する。

レーザ発振装置７６は、付加加工に用いられるレーザ光を発振する。ケーブル２４は、レーザ発振装置７６から付加加工用ヘッド２１に向けてレーザ光を導くための光ファイバーと、パウダーフィーダ７０から付加加工用ヘッド２１に向けて材料粉末を導くための配管と、これらを収容する管部材とから構成されている。

続いて、付加加工用ヘッド２１の構造について詳細に説明する。図３は、図１および図２中の付加加工用ヘッドの内部構造を示す図である。

図３を参照して、付加加工用ヘッド２１は、外部から導入されたレーザ光をワークに向けて出射するための光学系として、レーザ光コリメート部３１と、リング状レーザ光形成部３２と、レーザ光案内部３３と、レーザ光出射部３４とを含む。

レーザ光コリメート部３１、リング状レーザ光形成部３２、レーザ光案内部３３およびレーザ光出射部３４は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並ぶ。

レーザ光コリメート部３１には、ケーブル２４（図１および図２を参照のこと）からのレーザ光が光ファイバー４１を通じて導入される。レーザ光コリメート部３１は、コリメーションレンズ４２を有する。コリメーションレンズ４２は、中心軸１０２の軸上に設けられている。レーザ光コリメート部３１は、コリメーションレンズ４２により光ファイバー４１から入力されたレーザ光を平行光にして、リング状レーザ光形成部３２に向けて送る。

リング状レーザ光形成部３２は、アキシコンレンズ４３およびアキシコンレンズ４５と、球面レンズ４４とを有する。アキシコンレンズ４３、球面レンズ４４およびアキシコンレンズ４５は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並んで設けられている。アキシコンレンズ４３、球面レンズ４４およびアキシコンレンズ４５は、中心軸１０２の軸上に設けられている。

アキシコンレンズ４３は、円錐面からなる一方面４３ｍと、平面からなる他方面４３ｎとを有する。アキシコンレンズ４５は、円錐面からなる一方面４５ｍと、平面からなる他方面４５ｎとを有する。アキシコンレンズ４３およびアキシコンレンズ４５は、アキシコンレンズ４３の一方面４３ｍとアキシコンレンズ４５の一方面４５ｍとが向かい合わせとなるように配置されている。

リング状レーザ光形成部３２は、レーザ光コリメート部３１から入力されたレーザ光を、アキシコンレンズ４３、球面レンズ４４およびアキシコンレンズ４５によりリング状に形成する。リング状レーザ光形成部３２から出力されるレーザ光は、リング形状、言い換えれば、レーザ光の進行方向に直交する平面により切断された場合に中心軸１０２の軸周りで帯状に周回する形状を有する。本実施の形態では、リング状レーザ光形成部３２が、レーザ光コリメート部３１から入力されたレーザ光を、円形のリング形状に形成する。リング状レーザ光形成部３２から出射されるリング状のレーザ光は、中心軸１０２を中心にしてその軸方向に進行する。

レーザ光案内部３３は、ガイドミラー４６およびガイドミラー４７を有する。ガイドミラー４６およびガイドミラー４７は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並んで設けられている。ガイドミラー４６は、中心軸１０２の軸上に設けられている。ガイドミラー４６は、中心軸１０２に対して傾斜して設けられている。ガイドミラー４７は、中心軸１０２に平行な中心軸１０１の軸上に設けられている。ガイドミラー４７は、中心軸１０１に対して傾斜して設けられている。

レーザ光案内部３３は、ガイドミラー４６およびガイドミラー４７による反射により、リング状レーザ光形成部３２から入力されたリング状のレーザ光をレーザ光出射部３４に向けて案内する。レーザ光案内部３３から出力されるリング状のレーザ光は、中心軸１０１を中心にしてその軸方向に進行する。

レーザ光出射部３４は、集光レンズ５１および集光レンズ５４と、保護レンズ５６とを有する。集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６は、挙げた順に、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並んで設けられている。集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６は、中心軸１０１の軸上に設けられている。

レーザ光出射部３４は、レーザ光案内部３３から入力されたリング状のレーザ光をワークに向けて出射する。レーザ光出射部３４は、集光レンズ５１および集光レンズ５４により、ワークに向けて出射されるリング状のレーザ光を集光させる。レーザ光出射部３４から出射されるリング状のレーザ光は、中心軸１０１を中心にしてその軸方向に進行する。保護レンズ５６は、付加加工用ヘッド２１に内蔵されるレンズ系を外部雰囲気から保護するために設けられている。

付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を供給するための機構として、材料粉末供給部６１を有する。

材料粉末供給部６１は、材料粉末を送り出し可能なパイプ形状を有する。材料粉末供給部６１は、中心軸１０１の軸上に沿って設けられている。材料粉末供給部６１には、ケーブル２４（図１および図２を参照のこと）からの材料粉末が導入される。材料粉末供給部６１は、排出口６２を有する。排出口６２は、材料粉末を排出する材料粉末供給部６１の開口部である。材料粉末供給部６１は、排出口６２からワークに向けて材料粉末を供給する。

排出口６２は、レーザ光出射部３４から出射されるリング状のレーザ光の内側に配置されている。排出口６２は、中心軸１０１の軸上に配置されている。排出口６２からワークに向けた材料の供給と、レーザ光出射部３４からワークに向けたリング状のレーザ光の出射とは、ともに中心軸１０１の軸上であって、共軸である。

排出口６２は、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路上において、集光レンズ５１および集光レンズ５４よりも下流側に配置されている。排出口６２は、付加加工用ヘッド２１におけるレーザ光の光路上において、保護レンズ５６よりも下流側に設けられている。

ガイドミラー４７には、貫通孔４８が形成されている。貫通孔４８は、中心軸１０１の軸上においてガイドミラー４７を貫通するように形成されている。貫通孔４８は、中心軸１０１に直交する平面により切断された場合に、材料粉末供給部６１の断面よりも大きい開口面を有する。貫通孔４８には、材料粉末供給部６１が挿通されている。

集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６には、それぞれ、貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７が形成されている。貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７は、中心軸１０１の軸上において、それぞれ、集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６を貫通するように形成されている。貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７は、中心軸１０１に直交する平面により切断された場合に、材料粉末供給部６１の断面よりも大きい開口面を有する。貫通孔５２、貫通孔５５および貫通孔５７には、材料粉末供給部６１が挿通されている。

付加加工用ヘッド２１は、カバー体２６を有する。カバー体２６は、筐体形状を有し、集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６を収容する空間を形成する。カバー体２６には、開口部２７が形成されている。開口部２７は、中心軸１０１の軸上に配置されている。開口部２７は、付加加工時にワーク表面と対面する位置に設けられている。開口部２７は、集光レンズ５１、集光レンズ５４および保護レンズ５６を収容する空間と、外部空間との間を連通させる。リング状のレーザ光は、レーザ光出射部３４から開口部２７を通じて外部空間に出射される。

排出口６２は、中心軸１０１の軸方向において、開口部２７よりも外部空間側に突出した位置に設けられることが好ましい。この場合、排出口６２をワークにより近接して配置することができる。

なお、排出口６２は、中心軸１０１の軸方向において開口部２７と重なる位置に設けられてもよいし、カバー体２６内に設けられてもよい。また、排出口６２の位置は、レーザ光出射部３４から出射されるリング状のレーザ光の内側であれば特に限定されず、中心軸１０１の軸上からずれた位置であってもよい。

続いて、この発明の実施の形態における加工方法について説明する。図４は、この発明の実施の形態における加工方法において、付加加工時のワーク表面を示す断面図である。図５は、図４中のワーク表面を示す平面図である。図６は、ワークに向けて出射されるレーザ光と、ワークとの位置関係を示す図である。

図４から図６を参照して、本実施の形態における加工方法は、ワーク４００に対して材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより付加加工を行なう加工方法であって、ワーク４００に向けてリング状のレーザ光３１１を出射することにより、ワーク表面にレーザ光照射領域３１２を形成する工程と、ワーク４００に向けて出射されるリング状のレーザ光３１１の内側から、レーザ光照射領域３１２の外周縁３１２ｐよりも内側の範囲を含むワーク表面上の領域に向けて材料粉末を供給する工程とを備える。

図１から図３中の加工機械１００（付加加工用ヘッド２１）を用いて付加加工を行なう場合、レーザ光出射部３４からワーク４００に向けてリング状のレーザ光３１１を出射することにより、ワーク表面にレーザ光照射領域３１２を形成する。材料粉末供給部６１の排出口６２から材料粉末を排出することにより、ワーク４００に向けて出射されるリング状のレーザ光３１１の内側から、レーザ光照射領域３１２の外周縁３１２ｐよりも内側の範囲を含むワーク表面上の領域に向けて材料粉末を供給する。

付加加工用ヘッド２１が装着された工具主軸１２１の移動、および／または、ワーク４００を保持する第１主軸台１１１の第１主軸１１２の回転によって、付加加工用ヘッド２１をワーク４００に対向させつつ、付加加工用ヘッド２１およびワーク４００を相対的に移動させる。この際、ワーク４００に向けてリング状のレーザ光３１１を出射する工程と、ワーク表面に向けて材料粉末を供給する工程とを同時に実行することによって、ワーク表面に材料粉末を溶着させる。

なお、図４中の曲線４１０は、ワーク表面上における正規化されたレーザ光の密度分布を示す。

図６中に示すように、ワーク４００に向けて出射されるレーザ光３１１は、その進行方向において、焦点位置８１に近づくに従って収束する収束区間８２と、焦点位置８１から遠ざかるに従って拡散する拡散区間８３とを有する。

本実施の形態では、図４および図５中に示すように、収束区間８２におけるレーザ光３１１によって、ワーク表面にレーザ光照射領域３１２を形成する。この場合、レーザ光照射領域３１２は、中心軸１０１の軸周りで帯状に周回する形状を有する。レーザ光照射領域３１２は、レーザ光出射部３４からワーク４００に向けて出射されるレーザ光の形状（円形のリング形状）に対応して、中心軸１０１を中心に円形に周回する帯形状を有する。レーザ光照射領域３１２の外周縁３１２ｐは、中心軸１０１を中心とする円形状を有する。

ワーク４００に向けた材料粉末の供給と、ワーク４００に向けたリング状のレーザ光の出射とは、ともに中心軸１０１の軸上であって、共軸である。ワーク表面に向けて材料粉末を供給する工程においては、材料粉末を、ワーク表面上の中心軸１０１を中心とする領域であって、レーザ光照射領域３１２よりも内側の領域に向けて供給する。

以上に説明した、この発明の実施の形態における加工機械１００、付加加工用ヘッド２１および加工方法によれば、材料粉末をワークに向けて排出する位置（排出口６２）を、レーザ光が照射されるワーク表面上の領域に近づけることができる。これにより、材料粉末が飛散し難くなるため、材料粉末の利用効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、収束区間８２におけるレーザ光３１１によって、ワーク表面にレーザ光照射領域３１２を形成したが、これに限られず、焦点位置８１におけるレーザ光３１１によって、レーザ光照射領域を形成してもよい。このとき、レーザ光照射領域は、円形状を有する。収束区間８２または焦点位置８１におけるレーザ光３１１によりレーザ光照射領域を形成する場合、材料粉末をワークに向けて排出する位置（排出口６２）を、レーザ光が照射されるワーク表面上の領域により近づけることができる。

また、拡散区間８３におけるレーザ光３１１によって、レーザ光照射領域を形成してもよい。このとき、レーザ光照射領域は、中心軸１０１を中心に円形に周回する帯形状を有する。この場合、材料粉末が焦点位置８１の前後でレーザ光によって加熱（予熱）される。このため、材料粉末がワーク表面に溶着し易くなる。

図７および図８は、図５中のレーザ光照射領域の変形例を示すワーク表面の平面図である。図７を参照して、本変形例では、レーザ光照射領域３１３が、中心軸１０１の軸周りで矩形に周回する帯形状を有する。この場合、付加加工用ヘッド２１においては、リング状レーザ光形成部３２が、レーザ光を矩形のリング形状に形成する。

図８を参照して、本変形例では、レーザ光照射領域３１４が、中心軸１０１の軸周りで三角形に周回する帯形状を有する。この場合、付加加工用ヘッド２１においては、リング状レーザ光形成部３２が、レーザ光を三角形のリング形状に形成する。

これらの変形例に示すように、ワークに向けて出射するレーザ光の形状は、リング形状であれば特に限定されない。リング状レーザ光形成部３２において各種のプリズムを用いることによって、レーザ光を種々なリング形状に形成することができる。

図９は、図３中の材料粉末供給パイプの変形例を示す斜視図である。図９を参照して、本変形例では、材料粉末供給部６１が、複数の管部材６６，６７，６８と、外管６５とを有する。管部材６６、管部材６７および管部材６８は、外管６５に収容されている。管部材６６、管部材６７および管部材６８には、互いに異なる種類の材料粉末が導入される。このような構成によれば、ワークに対して複数種類の材料粉末を混合して供給することができる。

なお、材料粉末供給部６１が有する管部材の数は、３つに限られず、２つであってもよいし、４以上の複数であってもよい。

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制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。

この発明は、主に、指向性エネルギー堆積法による付加加工に適用される。

２１ 付加加工用ヘッド、２４ ケーブル、２６ カバー体、２７ 開口部、３１ レーザ光コリメート部、３２ リング状レーザ光形成部、３３ レーザ光案内部、３４ レーザ光出射部、４１ 光ファイバー、４２ コリメーションレンズ、４３，４５ アキシコンレンズ、４３ｍ，４５ｍ 一方面、４３ｎ，４５ｎ 他方面、４４ 球面レンズ、４６，４７ ガイドミラー、４８，５２，５５，５７ 貫通孔、５１，５４ 集光レンズ、５６ 保護レンズ、６１ 材料粉末供給パイプ、６２ 排出口、６５ 外管、６６，６７，６８ 管部材、７０ パウダーフィーダ、７１ 混合部、７２ パウダーホッパー、７６ レーザ発振装置、８１ 焦点位置、８２ 収束区間、８３ 拡散区間、１００ 加工機械、１０１，１０２，２０１，２０２，２０３，２０４，２０６ 中心軸、１１１ 第１主軸台、１１２ 第１主軸、１１６ 第２主軸台、１１７ 第２主軸、１２１ 工具主軸、１３１ 刃物台、１３２ 旋回部、１３６ ベッド、２００ 加工エリア、２１０ スプラッシュガード、３１１ レーザ光、３１２，３１３，３１４ レーザ光照射領域、３１２ｐ 外周縁、４００ ワーク、４１０ 曲線。

Claims (6)

1. ワークに対して材料粉末を供給するとともにレーザ光を照射することにより、付加加工を行なう付加加工用ヘッドであって、
   レーザ光をリング状に形成する光学部品と、
   リング状のレーザ光をワークに向けて出射するレーザ光出射部と、
   前記レーザ光出射部から出射されるリング状のレーザ光の内側に配置され、材料粉末を排出する排出口を有し、前記排出口からワークに向けて材料粉末を供給する材料供給部とを備え、
   前記材料供給部は、材料粉末を送り出し可能なパイプ形状を有し、
   前記レーザ光出射部は、ワークに向けて出射されるリング状のレーザ光を集光させる集光レンズを有し、
   前記集光レンズには、パイプ形状を有する前記材料供給部が挿通される貫通孔が形成される、付加加工用ヘッド。
2. 前記レーザ光出射部からワークに向けて出射されるリング状のレーザ光の中心軸上に配置され、前記光学部品からのレーザ光を前記レーザ光出射部に向けて案内するガイドミラーをさらに備え、
   前記ガイドミラーには、前記材料供給部が挿通される貫通孔が形成される、請求項１に記載の付加加工用ヘッド。
3. 前記排出口からワークに向けた材料粉末の供給と、前記レーザ光出射部からワークに向けたリング状のレーザ光の出射とは、共軸である、請求項１または２に記載の付加加工用ヘッド。
4. 前記光学部品は、レーザ光を、円形、矩形または三角形のリング形状に形成するように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッド。
5. 前記材料供給部は、異なる種類の材料粉末を供給するための複数の管部材を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッド。
6. ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械であって、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の付加加工用ヘッドと、
   ワークを保持するワーク保持部と、
   ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部とを備える、加工機械。

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