JP6680684B2 - 機械加工ヘッド及び機械加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ・ビームによる表面加工のための加工ヘッド、及び独立請求項の前提部分による加工ヘッドを有する加工ユニットに関する。

技術の現状から、レーザ堆積プロセスにより構成要素に粉末を適用することが知られている。この目的のため、とりわけ加工ヘッドを用いて粉末が構成要素まで運ばれ、ここで粉末は、レーザにより既に融解したメルト・スポットまで運ばれる。通常、レーザ・ビームは、加工ヘッドのレーザのための貫通通路を通るように誘導され、加工ヘッドの出口側から１０ｍｍから２０ｍｍの間隔に焦点を合わせられる。さらに、粉末が少なくとも１つの粉末供給通路を介して加工ヘッドを通るように運ばれる。これに関連して、加工ヘッドは１つ又は複数の粉末供給通路を有することができ、粉末供給通路の出口開口部が加工ヘッドの出口側に配置され、高い頻度でレーザ・ビームの出口開口部の周りに配置される。別法として、粉末供給通路は、レーザのための貫通通路の周りに配置されるリング状の隙間として構成されてもよい。

レーザ堆積溶接プロセスの実行中、供給されるレーザ出力の約１／３から２／３が反射して加工ヘッドに実質的に入射することを理由として、ある状況においては、加工ヘッドが強く加熱されることが起こる場合がある。これに関連する反射する部分は、使用されるレーザの波長に実質的に左右される。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバ・レーザ、ディスク・レーザ、又は、ダイオード・レーザの場合、出力の通常約１／３が反射することが考えられ、ＣО_２レーザの場合、出力の最大２／３が反射すると考えられる。

米国特許第７，２５９，３５３号から、レーザ堆積溶接の加工ヘッドを冷却するための装置が知られている。この例では、可能な限り効率的な冷却を可能にするために、加工ヘッドの周りに可能な限り大きい容量を有する冷却ジャケットを配置することが提案されている。

しかし、この既知の現況技術は、冷却出力が常に十分であるわけではないという欠点を有する。さらに、大容量の冷却ジャケットは加工ヘッドのサイズを大幅に増大させ、これが動作時に不利となる可能性がある。さらに、ある状況においては、制作方法が過大な労力及び高いコストを要することを理由として、又はさらには非常に多くの材料を必要とすることを理由として、既知の加工ヘッドは過度に高価である場合があり、加工ヘッドは比較的頻繁に交換する必要があることからこのこともやはり不利である。別の欠点は、ある状況において、加工されることになる構成要素の方を向いた加工ヘッドの先端部の冷却が不十分であることである。

国際公開第９５／２０４５８Ａ１号が、本体及び本体上に配置されるためのスリーブを有する、レーザ・ビームによる表面加工のための加工ヘッドを開示している。本体及びスリーブは、一体に、加工ヘッドの冷却通路を形成する。加工ヘッドは、さらに複数の他の組み立て部品を示している。

米国特許第７，２５９，３５３号 国際公開第９５／２０４５８Ａ１号

したがって、とりわけ本発明の目的は既知の欠点を回避することであり、したがって具体的には、コンパクトな構造を有し且つ動作中の冷却出力を高出力とするような、単純な形で且つコスト面で効率的に製造され得る加工ヘッドを提供することである。

この目的は、独立請求項による加工ヘッド及び加工ユニットによって達成される。

従属請求項は本発明の好適な実施例に関連する。

本発明は、レーザ・ビームによる表面加工のための加工ヘッドに関する。加工ヘッドは、長手方向軸線を有するレーザのための貫通通路と、少なくとも１つの粉末供給通路と、加工ヘッドを冷却するための冷却通路とを有する。加工ヘッドは少なくとも２つの部品で構成されており、本体及びスリーブを有している。スリーブは本体に配置されるのに適する。レーザの貫通通路及び粉末供給通路が本体内に構成される。本体は少なくとも部分的に冷却通路の第１の側壁を形成する。スリーブは少なくとも部分的に冷却通路の第２の側壁を形成する。

これには、冷却通路を形成するのに必要となる凹部が、本体にスリーブを配置する前に適用され得、それにより製作がより単純となり且つコスト面で効率的となる、という利点がある。さらに、レーザの貫通通路及び粉末供給通路を本体内に配置することにより、加工ヘッドで必要となる組み立て部品をわずか数個にすることが可能となる。さらに、例えば、ラビリンスとして構成される熱交換器が製作プロセス中に冷却通路を単純な形で形成することにより製造され得ることを理由として、冷却通路が、問題なく、加工ヘッド及び特には加工ヘッドの先端部を確実に十分に冷却するのを可能とするように配置され得る。これに関連して、凹部が本体及び／又はスリーブ内に適用され得、ここでは、本体にスリーブを配置した後で、冷却通路がスリーブによって形成される。これに関連して、動作中、例えば水などの冷却媒体が、熱の放散のために冷却通路を通して運ばれ得る。

これに関連して、冷却通路は、例えばフライス加工手法などの材料切削手法で形成され得る。別法として、冷却通路を有する本体及び／又はスリーブが例えばダイカスト加工などの形成手法で形成されてもよい。

具体的には、本体及びスリーブは、冷却通路の全長の少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、特に好適には少なくとも９０％の区間において、加工ヘッド内に第１の側壁及び第２の側壁を形成する。

具体的には、加工ヘッドはレーザのための貫通通路を１つのみ有する。しかし、加工ヘッドがレーザのための複数の貫通通路を有することも可能である。

加工ヘッドの上記本体は特には単一部片として設計され得、具体的には均質の原料部品から、例えば銅又は銅合金のブロックから製作され得る。

高い頻度で、加工ヘッドは粉末流ノズルとも称される。高い頻度で、本体はハブボティ又はノズルボディと称される。

好適には、本体及びスリーブは互いに着脱自在に接続され得る。具体的には、本体及びスリーブは互いに対してねじ止めされる。

これには、必要に応じて２つの構成要素のうちの一方が交換され得る、という利点がある。スリーブが動作中に高い熱負荷を受ける外側構成要素である場合、可能性としてスリーブがより頻繁に交換される。高い頻度でスリーブがコスト効率の高い部品であることから、動作中のコストがさらに低下する。さらに、スリーブは、単純な形で冷却通路を洗浄するために、着脱自在の接続であることにより単純な形で取り外され得る。

好適には、本体及びスリーブは固定的に接続される。具体的には、本体及びスリーブは互いにろう付けされる。

これには、例えばねじ部を配置することを省くことができることを理由として、加工ヘッドの構造をコンパクトにすることができる、という利点がある。

好適には、本体は冷却通路に冷却媒体を供給するための及び冷却通路から冷却媒体を排出するための第１のフィード通路及び第２のフィード通路を有する。

これには、冷却通路への冷却媒体の供給及び排出をするのに追加の構成要素が必要ではない、という利点がある。これにより、加工ヘッドの構造を非常に単純にすることが可能となり、したがってコスト効率を上げることが可能となる。

好適には、加工ヘッドは、本体と、スリーブと、例えばＯリングの形態の、特に単一のシールである任意選択のシールとから構成される。具体的には、小さい部品（ｓｍａｌｌ ｐａｒｔ）が加工ヘッドに配置されてよく、これに関して、これらの小さい部品は加工ヘッドに割り当てられるわけではない。

これには、加工ヘッドが非常に少ない構成要素のみから構成され、したがって非常に単純且つ安価となる、という利点がある。

好適には、冷却通路が冷却コイル又は冷却スパイラルとして構成される。これには、冷却媒体を理想的に消費するために冷却出力を上げることが可能となる、という利点がある。さらに、冷却媒体を誘導する領域を構成する冷却コイル又は冷却スパイラルに関して、実質的に鋭い隅部、鋭い縁部、さらには、突出又は折り返し段差の湾曲部を実質的に有さないように構成され得、したがって、それに応じた圧力損失を回避することができる。これにより、冷却出力がさらに向上する。

好適には、冷却通路は、本体又はスリーブ内に配置される。言い換えると、冷却通路は本体又はスリーブ内のみに配置され、冷却通路が本体内のみに配置される場合はスリーブのみが第２の側壁を形成し、冷却通路がスリーブ内のみに配置される場合は本体のみが第１の側壁を形成する。

冷却通路を本体内のみに配置することには、構造をよりコンパクトにすることを達成するために、スリーブが壁厚を小さくするように構成され得る、という利点がある。

冷却通路をスリーブ内のみに配置することには、加工ヘッドの暖かい外側に接近するように冷却通路が配置されることを理由として、冷却がより効率的となるように構成されるようになる、という利点がある。

冷却通路は好適には本体及びスリーブ内に配置される。これには、冷却通路が冷却出力をさらに向上させるために大きい流れ断面を有するように構成され得る、という利点がある。

好適には、シールが、冷却通路をシールするためにレーザ・ビームの出口側の方を向いた領域内に配置される。シールは、具体的には、本体の溝内に好適には導入され得るシール・リングとして構成される。

これには、本体とスリーブとの間を良好にシールすることができ、その結果、動作中に冷却媒体が出現して、加工されることになる構成要素に達するということが起こり得ない、という利点がある。

当然、スリーブと本体との間において、レーザ・ビームの出口側から離れる方に配置される側に別のシールが配置されてもよく、これは好適には上記のシールに類似する。これには、動作中に冷却媒体が出現して、加工されることになる構成要素に達するということが起こり得ない、という利点がある。

好適には、本体及びスリーブが、その少なくとも１区間において、出口側に向かってテーパ化されるように構成される。本体及びスリーブは、具体的には、その少なくとも１区間において、出口側に向かって円錐形となるようにテーパ化されるように構成される。言い換えると、加工ヘッドは、その少なくとも１区間において、具体的には円錐形となるように、出口側に向かってテーパ化されるように構成される。

スリーブ及び本体は、例えば以下のように構成され得る。
出口側から離れる方のスリーブ及び本体の１区間（ｓｅｃｔｉｏｎ）が円筒形となるように構成され、出口側の方を向いたスリーブ及び本体の１区間が円錐形となるようにテーパ化されるように構成され得る。本体に対してスリーブを着脱自在に締結するために、ねじ部が円筒形区間内に配置され得る。これに関連して、本体及びスリーブが互いに適合する形状を有するように構成され、その結果、本発明に従ってスリーブが本体に締結され得るようになる。

具体的には円錐形のテーパ区間を有するような加工ヘッドを形成することには、構成要素の方を向いた側で加工ヘッドが小さい断面を有し、それにより、より単純な形で扱われ得るようになる、という利点がある。

好適には、冷却通路が、少なくとも部分的に、また好適には完全に、テーパ区間内に配置される。これには、動作中に最も強く加熱される出口側の方を向いた区間が最も効率的に冷却される、という利点がある。

好適には、冷却通路の少なくとも１区間が、長手方向軸線Ａに対して垂直な平面に平行となるように配置される。これには、ある軸線方向位置において冷却通路の１区間が実質的に本体の周りを誘導され、それにより、効率的な冷却を行う長い冷却通路が実現され得る、という利点がある。

好適には、冷却通路の少なくとも第１の区間及び第２の区間が長手方向軸線Ａに平行な方向において互いから離間されて配置される。これには、冷却通路が加工ヘッドに沿うように配置されることを理由として、長手方向軸線に平行な方向において加工ヘッドを効率的に冷却することが達成され得る、という利点がある。

好適には、冷却通路は、冷却媒体を供給するため及び／又は取り除くための第１のフィード開口部及び第２のフィード開口部を有する。第１のフィード開口部及び第２のフィード開口部は長手方向軸線Ａに平行な方向において互いから離間されて配置される。例えば、冷却媒体は第１のフィード開口部を通して冷却通路の中へ運ばれ得、第２のフィード開口部を通して冷却通路の外へ運ばれ得る。当然、冷却媒体を逆方向に運ぶことも行われ得る。

これには、冷却媒体が加工ヘッドから外へ運ばれる前に加工ヘッドの冷却に１回のみ使用される、という利点がある。当然、冷却媒体の閉ループ動作も可能であり、この場合、冷却媒体が冷却通路の外へ運ばれた後で能動的に及び／又は受動的に冷却され、その後で再び冷却通路の中へ運ばれ、それにより、有利には、冷却媒体の消費が低減される。

ある状況において、高い頻度で出口側が最も高温となることを理由として、出口側に近い方に配置されるフィード開口部の中に冷却媒体を再供給することが有利である。冷却媒体は冷却通路を通して運ばれるときに加熱されることから、冷却通路を通して冷却媒体を運ぶことの開始時に最も効率的に冷却を行うことが可能であり、これは、出口側の方を向く高温領域を冷却するのに有利である。

好適には、第１のフィード開口部が第１のフィード通路に流体連通され、第２のフィード開口部が第２のフィード通路に流体連通される。第１のフィード通路及び／又は第２のフィード通路が、少なくとも１区間において、長手方向軸線に対して、配置されている粉末フィード通路と実質的に同様の傾斜角度となるように配置される。

これには、加工ヘッドのデザインをコンパクトにすることができる、という利点がある。

好適には、冷却通路が、レーザのための貫通通路の、長手方向軸線Ａから離れた方の側に配置され、具体的には、レーザのための貫通通路の、少なくとも１つの粉末供給通路から離れた方の側に配置される。言い換えると、冷却通路が加工ヘッド内の外側に配置され、レーザのための貫通通路の周りに設けられ、具体的には少なくとも１つの粉末供給通路の周りに設けられる。

これには、高い頻度でより高い熱負荷を受ける加工ヘッドの外側領域が確実に冷却され得るようになる、という利点がある。

好適には、スリーブ及び特には本体が、３００Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率を実質的に有する材料で作られる。好適には、この材料が３４０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率を有し、特に好適には３８０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率を有する。例えば、材料は銅又はさらには銅合金であってよい。

これには、冷却媒体による冷却に加えて、このような材料選択により、例えば熱を冷却媒体へ伝導することにより、熱が良好に放散し得る、という利点がある。

本発明の別の観点は、レーザ・ビームによる表面加工のための加工ユニットに関する。加工ユニットは、上述した加工ヘッドを有する。

良好に理解するための実施例により、以下で、本発明の別の特徴及び利点を詳細に説明する。本発明はこれらの実施例のみに限定される必要はない。

本発明による加工ヘッドを示す概略側面図である。 スリーブを備える、図１による加工ヘッドを示す正面図である。 スリーブを備えない、図２による加工ヘッドを示す正面図である。 図１による加工ヘッドを有する加工ユニットの所定の区間を示す概略図である。

概略的な説明として、本発明による加工ヘッド１が図１の側面図に示される。加工ヘッド１は２つの部品で構成され、本体５、さらには、着脱自在に本体５に締結されるスリーブを有する。当然、スリーブ６は、例えばろう付けにより、本体５に固定的に接続されてもよい。

加工ヘッド１は出口側１０を有し、その中にレーザ・ビームのための１つ出口開口部１８が配置される。さらに、加工されることになる構成要素まで粉末を運ぶために、粉末通路３の出口開口部２０が出口側１０に配置され、ここでは、長手方向軸線Ａを中心とした回転方向に対して粉末通路が例えば第１のフィード通路１３とは異なる断面平面（ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｌａｎｅ）に位置することを理由として、単に説明のために出口開口部及び粉末通路３が点線で示される。

出口側１０に関して、加工ヘッド１は所定の区間において円錐形となるようにテーパ化されるように構成される。

出口側１０から離れた方の側では、本体５はこの例では示されないねじ部を有し、このねじ部によりスリーブ６が本体５に対してねじ止めされ得、この目的のためにスリーブ６がこの例では示されない相補的な雌ねじを有する。

本体の円錐形のテーパ区間には、冷却コイルとして構成される冷却通路４が配置され、この冷却通路４は、例えばフライス盤により本体５の中にフライス加工され得る。冷却コイルとして形成することに対する代替形態として、当然、冷却通路４は冷却スパイラルとして構成されてもよい。

冷却通路４の第１の区間２２が、長手方向軸線Ａに対して垂直な平面に平行となるように配置される。さらに、冷却通路４の第１の区間２２及び第２の区間２３が長手方向に平行な方向において互いから離間されて配置される。

冷却通路４は、冷却媒体を供給するため及び／又は取り除くための第１のフィード開口部１１及び第２のフィード開口部１２を有する。

本体５は、シール９を形成するためにシール・リングを受けるための溝１９を有する。別のシールを形成する場合、必要に応じて、出口側１０から離れる方向の側に配置されるねじ部の領域内に、別のシール・リングを受けるための別の溝が設けられてもよい。

加工ヘッド１は、長手方向軸線Ａを有する、レーザのための貫通通路２を有する。動作中、出口側１０から離れた方の側でレーザがレーザのための貫通通路２内で誘導され、その後、レーザ・ビームが長手方向軸線Ａに沿って伝播し、出口開口部１８を通って加工ヘッド１から出る。

冷却通路４が本体５によって形成される第１の側壁７を有する。第２の側壁８がスリーブ６によって形成される。したがって、冷却媒体が側壁７及び８に実質的に平行な方向に冷却通路４に沿って運ばれ得る。

本体５は、冷却媒体を供給するため及び／又は取り除くための第１のフィード開口部１１及び第２のフィード開口部１２を有する。第１のフィード開口部１１が第１のフィード通路１３に流体連通される。第２のフィード開口部１２が第２のフィード通路１４に流体連通される。これらのフィード通路により、冷却媒体が冷却通路４まで運ばれ得る。

第１のフィード開口部１１及び第２のフィード開口部１２は長手方向軸線Ａに平行な方向において互いから離間されて配置される。

冷却通路４は、長手方向軸線Ａから離れる方の、レーザのための貫通通路２の側に及び粉末供給通路３の側に配置される。

出口開口部２０（点線で示される）を有する粉末供給通路３は長手方向軸線Ａに対して傾斜しており、その結果、粉末ビーム（ｐｏｗｄｅｒ ｂｅａｍ）が出口開口部１８から約１２ｍｍの間隔Ｄのところで長手方向軸線Ａと交わる。この場合、この例では示されないレーザが、レーザにより間隔Ｄのところで構成要素にメルト・スポットを作るのを可能にするように、焦点を合わせられる。

粉末供給通路３、第１のフィード通路１３及び第２のフィード通路１４は、長手方向軸線Ａに対して実質的に等しい傾斜角度となるように所定の区間内に配置されている。

図１による加工ヘッド１の正面図が図２及び図３に示される。図２は、スリーブ６を備える加工ヘッド１を示す。図３はスリーブを備えない加工ヘッド１を示しており、したがって、冷却通路４を見ることができる。

すべての図で同一の参照符号は同様の構成を示しており、必要な場合にのみ再び説明される。

概略的な説明として、図１による加工ヘッド１を有する加工ユニット１５の所定の区間が図４に示される。

加工ユニット１５は、加工ヘッド１のためのレシーバ・スリーブ１７を有する。レーザ・ビーム１６がレシーバ・スリーブを通るように誘導され、次いで加工ヘッド１を通るように誘導される。

レーザ・ビーム１６は出口開口部１８を通って加工ユニット１５から外に出て、これに関連して、間隔Ｄのところでこの例では示されない構成要素にメルト・スポットを作るのを可能にするように焦点を合わせられ、上述したように、このメルト・スポットまで粉末が運ばれるようになる。

動作中、この例では示されない位置決めユニットにより加工ユニット１５が構成要素の上で誘導され、それにより、いわゆる溶接ビードが形成される。

Claims (13)

1. レーザ・ビームによる表面加工のための加工ヘッド（１）であって、
   前記加工ヘッド（１）は、長手方向軸線（Ａ）を有するレーザ・ビームのための貫通通路（２）と、少なくとも１つの粉末供給通路（３）と、前記加工ヘッド（１）を冷却するための冷却通路（４）とを有し、
   前記加工ヘッド（１）は、少なくとも２つの部品で構成され、且つ単一部片の本体（５）と、前記単一部片の本体（５）に配置されるスリーブ（６）とを有し、
   レーザの前記貫通通路（２）及び前記粉末供給通路（３）が前記単一部片の本体（５）内に構成され、
   前記単一部片の本体（５）が少なくとも部分的に前記冷却通路（４）の第１の側壁（７）を形成し、また前記スリーブ（６）が少なくとも部分的に前記冷却通路（４）の第２の側壁（８）を形成し、
   前記単一部片の本体（５）及び前記スリーブ（６）が、少なくとも所定の区間で、前記レーザ・ビームの出口側（１０）へとテーパに、特に前記出口側に向かって円錐形のテーパに構成され、また
   前記冷却通路（４）が少なくとも部分的に前記テーパ区間内に配置される
   加工ヘッド（１）。
2. 前記単一部片の本体（５）が、前記冷却通路（４）に冷却媒体を供給するため及び前記冷却通路（４）から冷却媒体を排出するための第１のフィード通路（１３）及び第２のフィード通路（１４）を有することを特徴とする、請求項１に記載の加工ヘッド（１）。
3. 前記単一部片の本体（５）、前記スリーブ（６）及び任意選択のシール（９）からなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の加工ヘッド（１）。
4. 前記冷却通路（４）が冷却コイル又は冷却スパイラルとして構成されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
5. 前記冷却通路（４）が前記単一部片の本体（５）又は前記スリーブ（６）内に配置されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
6. 前記冷却通路（４）が前記単一部片の本体（５）及び前記スリーブ（６）内に配置されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
7. シール（９）、特にシール・リングが、前記冷却通路（４）をシールするために、前記出口側（１０）の方を向いた領域における前記単一部片の本体（５）の溝（１９）内に配置されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
8. 前記冷却通路（４）が完全に前記テーパ区間内に配置されることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
9. 前記冷却通路（４）が、冷却媒体を供給するため及び／又は冷却媒体を取り除くための第１のフィード開口部（１１）及び第２のフィード開口部（１２）を有し、前記第１のフィード開口部（１１）及び前記第２のフィード開口部（１２）が前記長手方向軸線（Ａ）に平行に互いに離間されて配置されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
10. 前記第１のフィード開口部（１１）が前記第１のフィード通路（１３）に流体連通され、前記第２のフィード開口部（１２）が前記第２のフィード通路（１４）に流体連通され、前記第１のフィード通路（１３）及び／又は前記第２のフィード通路（１４）は、少なくとも所定の区間で、前記長手方向軸線（Ａ）に対して、前記粉末供給通路（３）が配置されているのと実質的に同様の傾斜角（Ｂ）で配置されることを特徴とする、請求項２及び請求項９に記載の加工ヘッド（１）。
11. 前記冷却通路（４）が、レーザのための前記貫通通路（２）の、前記長手方向軸線（Ａ）から離れた側に配置されること、特にレーザのための前記貫通通路の、前記少なくとも１つの粉末供給通路（３）から離れた側に配置されることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
12. 前記スリーブ（６）及び、特に前記単一部片の本体（５）が、３００Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える、好適には３４０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える、特に好適には３８０Ｗ／（ｍ×Ｋ）を超える熱伝導率を有する材料から実質的に製造されることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）。
13. 請求項１から１２までのいずれか一項に記載の加工ヘッド（１）を有する、レーザ・ビームによる表面加工のための加工ユニット（１５）。

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