JP6983087B2 - 積層造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、金属材料を溶融させて積層造形を行う積層造形装置に関する。

金属製の粉末材料よりも低コストであるワイヤ形状の金属材料にレーザービームを照射させることによって金属材料を溶融させて積層造形を行う積層造形装置が特許文献１に記載されている。この積層造形装置は、２つのワイヤ形状の金属材料を用いている。金属材料の供給方向が２つのみであると、積層造形装置のヘッド部分の移動方向を変えるときに、金属材料が溶融して形成される溶融池の安定性を確保しにくくなるため、積層造形時の移動方向の自由度が制約されてしまう。これに対し、３つ以上のワイヤ形状の金属材料を用いれば、積層造形時の移動方向の自由度を高めることができる。

特開２０１７−１４６１３号公報

しかしながら、特許文献１の積層造形装置では、レーザービーム発振器で発振されたレーザービームのサイズを光学素子で調節しているため、３つ以上のワイヤ形状の金属材料にレーザービームを照射するためにはレーザービームのサイズを比較的大きくしなければならず、レーザービームのエネルギー密度が小さくなってしまう。そうすると、レーザービームのパワーを大きくしなければならず、その結果、入熱が大きくなって、積層造形体の変形が大きくなる等の問題が生じるおそれがある。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、入熱の増加を抑制しながら積層造形時の移動方向の自由度を高めた積層造形装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る積層造形装置は、
金属材料を溶融させて積層造形を行う積層造形装置であって、
前記金属材料がワイヤ状に形成された少なくとも３つのワイヤ状金属材料であって、それぞれの先端が円周方向に互いに間隔をあけるように配置された少なくとも３つのワイヤ状金属材料と、
レーザービームを発振するレーザー発振器と、
前記レーザービームの照射位置を連続的に変えることによって前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれに照射させるレーザー照射部と
を備える。

上記（１）の構成によると、レーザービームの照射位置を連続的に変えることによって少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれにレーザービームが照射されることにより、レーザービームのサイズを小さくしてエネルギー密度を高く維持したまま各ワイヤ状金属材料にレーザービームを照射することができる。これにより、入熱の増加を抑制しながら積層造形時の移動方向の自由度を高めることができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記レーザー照射部は、前記レーザービームを回転させるプリズムローテーターである。

上記（２）の構成によると、レーザービームの照射位置が円形形状を描くので、各ワイヤ状金属材料の先端付近が曲がっていたとしても、レーザービームを確実に各ワイヤ状金属材料に照射させることができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（１）または（２）の構成において、
前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの先端によって囲まれる内側領域に向かって第１シールドガスを供給する第１シールドガス供給部と、
前記内側領域及び前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの先端を取り囲む環状の外側領域に向かって第２シールドガスを供給する第２シールドガス供給部と
を備える。

積層造形時の移動方向の自由度が高いと、広い範囲をシールドする必要がある。上記（３）の構成によると、少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの先端によって囲まれる内側領域に向かって供給される第１シールドガスの他に、内側領域及び少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの先端を取り囲む環状の外側領域に向かって第２シールドガスが供給されるので、第１シールドガスのみによってシールドする場合に比べて広い範囲をシールドすることができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料の少なくとも１つには、該ワイヤ状金属材料に通電して加熱するための通電部が設けられている。

上記（４）の構成によると、通電部が設けられたワイヤ状金属材料は通電されて加熱されるので、ワイヤ状金属材料を溶融しやすくすることができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記通電部を備える前記ワイヤ状金属材料には、該ワイヤ状金属材料の先端と前記通電部との間に、非導電性の材料から形成された筒状のガイド部材が、該ガイド部材に前記ワイヤ状金属材料が挿入されるようにして設けられている。

上記（５）の構成によると、レーザービームが通電部に照射されて通電部が損傷するおそれを低減することができる。また、ワイヤ状金属材料が加熱されると軟化して曲がりやすくなり、ワイヤ状金属材料の先端の近傍部分が、レーザービームに照射される位置からずれてしまう場合もあり得る。しかし、筒状のガイド部材に挿入されたワイヤ状金属材料は曲がりが抑制されるので、ワイヤ状金属材料の先端の近傍部分がレーザービームに照射され得るようにすることができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（５）のいずれかの構成において、
前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの延びる方向と鉛直方向とがなす鋭角側の角度は３０°以下である。

上記（６）の構成によると、ワイヤ状金属材料を溶融させて造形した造形体とワイヤ状金属材料とが互いに干渉することによって積層造形時の移動方向の自由度が低下するおそれを低減することができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（６）のいずれかの構成において、
前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料を溶融させて造形した造形体上に粉末状のドライアイスを供給するための供給部をさらに備える。

上記（７）の構成によると、粉状のドライアイスを用いることによって、造形体にドライアイスが確実に付着し、その後、ドライアイスは昇華してなくなるので、造形体を汚染することなく確実に冷却することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、レーザービームの照射位置を連続的に変えることによって少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれにレーザービームが照射されることにより、レーザービームのサイズを小さくしてエネルギー密度を高く維持したまま各ワイヤ状金属材料にレーザービームを照射することができる。これにより、入熱の増加を抑制しながら積層造形時の移動方向の自由度を高めることができる。

本開示の実施形態１に係る積層造形装置の構成を示す断面模式図である。 本開示の実施形態１に係る積層造形装置においてワイヤ状金属材料の先端の近傍部分の拡大部分正面図である。 本開示の実施形態１に係る積層造形装置においてワイヤ状金属材料のそれぞれの先端の近傍部分の拡大平面図である。 本開示の実施形態１に係る積層造形装置においてレーザービームがワイヤ状金属材料に照射される動作を説明するための図である。 本開示の実施形態２に係る積層造形装置の構成を示す断面模式図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
図１に、実施形態１に係る積層造形装置１の構成を示す。積層造形装置１は、ワイヤ状に形成された３つのワイヤ状金属材料２（図１には２つのみが図示されている）を溶融させて積層造形を行う装置である。３つのワイヤ状金属材料２は、それぞれの先端２ａが円周方向に互いに間隔をあけて、好ましくは等しい間隔をあけるように配置されている。積層造形装置１は、レーザービーム１１を発振するレーザー発振器３と、レーザービーム１１の照射位置を連続的に変えることによってレーザービーム１１を３つのワイヤ状金属材料のそれぞれに照射させるレーザー照射部４とを備えている。レーザー発振器３とレーザー照射部４とは、光ファイバー５を介して接続されている。レーザー照射部４は、レーザービーム１１をその進行方向に平行な軸線周りに（矢印Ａのように）回転させるプリズムローテーター４ａである。

各ワイヤ状金属材料２は、各ワイヤ供給装置１２から供給されている。各ワイヤ状金属材料２には、ワイヤ状金属材料２に通電して加熱するための通電部である筒状のコンタクトチップ１４が装着されている。各コンタクトチップ１４は、電源１５に電気的に接続されている。また、各ワイヤ状金属材料２には、ワイヤ状金属材料２の先端２ａとコンタクトチップ１４との間に、非導電性の材料、例えばセラミックで形成された筒状のガイド部材１３が装着されている。ガイド部材１３の先端からワイヤ状金属材料２の先端２ａの近傍部分が突出しており、これらの近傍部分にレーザービーム１１が照射されるようになっている。

各ワイヤ状金属材料２はそれぞれ、積層造形される面に対してできるだけ大きな角度をなすように配置することが好ましい。図２に示されるように、ワイヤ状金属材料２の延びる方向Ｒ_１と鉛直方向Ｒ_０とがなす鋭角側の角度θは３０°以下であることが好ましい。

図１に示されるように、積層造形装置１は、第１シールドガス２２を供給する第１シールドガス供給部２１と、第２シールドガス２４を供給する第２シールドガス供給部２３とをさらに備えている。図３に示されるように、３つのワイヤ状金属材料２のそれぞれの先端２ａによって囲まれるように内側領域３１が構成され、内側領域３１及び３つのワイヤ状金属材料２のそれぞれの先端２ａを取り囲むように環状の外側領域３２が構成され、第１シールドガス２２（図１参照）は内側領域３１に向かって供給されるようになっており、第２シールドガス２４（図１参照）は外側領域３２に向かって供給されるようになっている。

このような形態で第１シールドガス２２及び第２シールドガス２４を供給するための具体的な構成の一例として、図１に示されるように、積層造形装置１は、第１シールドガス２２が流通する内管部２５と、第２シールドガス２４が流通する外管部２６とを有する二重管構造を有することができる。積層造形装置１の先端側の部分、例えば外管部２６には、冷却水が流通する冷却水流路２７が形成されている。冷却水流路２７は、冷却水の給水源２８と連通している。

次に、実施形態１に係る積層造形装置１により積層造形を行う動作について説明する。
図１に示されるように、積層造形装置１に３つのワイヤ状金属材料２が供給された状態で積層造形装置１が起動すると、レーザー発振器３はレーザービーム１１を発振する。プリズムローテーター４ａは、レーザービーム１１を矢印Ａの方向に回転させる。レーザービーム１１の回転数及び回転径は、積層造形装置１のサイズやワイヤ状金属材料２の材質等により任意に設定可能であるが、一般的に、回転数は６０〜１００ｒｐｍ、回転径は１〜１５ｍｍが好ましい範囲である。

レーザービーム１１が回転すると、図４に示されるように、レーザービーム１１の照射位置ＬＰは、Ｂ方向に回転して円形状の軌跡ＴＲを描く。軌跡ＴＲ上にワイヤ状金属材料２のいずれかの部分が存在すれば、各ワイヤ状金属材料２にレーザービーム１１が照射されるようになる。このため、ワイヤ状金属材料２の先端２ａの近傍部分に多少曲がりがあったとしても、レーザービーム１１を確実に各ワイヤ状金属材料２に照射させることができる。

また、レーザービーム１１をこのように回転させて各ワイヤ状金属材料２にレーザービーム１１を照射するようにすると、レーザービーム１１を３つのワイヤ状金属材料２全部に同時に照射させる場合に比べて、レーザービーム１１のサイズを小さくすることができる。そうすると、レーザービーム１１のエネルギー密度を高く維持したまま各ワイヤ状金属材料２にレーザービーム１１を照射することができるので、エネルギー密度の低いレーザービームを照射する場合に比べてレーザービームのパワーが抑えられ、入熱が増加するのを抑制することができる。

図１に示されるように、このような動作でレーザービーム１１が各ワイヤ状金属材料２に照射されると、レーザービーム１１が照射された部分でワイヤ状金属材料２が溶融する。そうすると、各ワイヤ状金属材料２の先端２ａによって囲まれる内側領域３１（図３参照）に溶融金属が溜まり始め、最終的に溶融金属の溶融池３０が形成される。尚、この実施形態１では、各ワイヤ状金属材料２はコンタクトチップ１４によって通電されて加熱されているので、ワイヤ状金属材料２を溶融しやすくすることができ、溶融池３０の形成が促進される。

溶融池３０が形成された状態で積層造形装置１を矢印Ｃの方向に移動させると、移動方向の後方に、溶融池３０内の一部の溶融金属が連続して留まり、それが冷却されて凝固することで、帯状の造形体４０が形成される。形成された造形体４０の上にさらに造形体を形成することにより、立体的な造形体を形成することもできる。

造形体４０が立体的になると、積層造形装置１の移動方向を変える際に、ワイヤ状金属材料２と造形体４０とが互いに干渉する場合がある。しかし、積層造形装置１では、積層造形される面に対してできるだけ大きな角度をなすようにワイヤ状金属材料２が配置されているので、このような干渉が生じるおそれを低減でき、その結果、積層造形時の移動方向の自由度が低下するおそれを低減することができる。

積層造形装置１による積層造形中、形成された溶融池３０は第１シールドガス２２によってシールドされる。積層造形装置１は、３つのワイヤ状金属材料２を用いていることにより、積層造形時の移動方向の自由度が高くなっているので、どの方向に積層造形装置１の移動方向が変わったとしてもシールドできるように広い範囲をシールドする必要がある。この積層造形装置１では、第１シールドガス２２の他に、第１シールドガス２２を取り囲むように第２シールドガス２４が供給されているので、積層造形時の移動方向が任意の方向に変化しても第２シールドガス２４によるシールドが可能となる。すなわち、積層造形時の移動方向の自由度が高いことにより広い範囲をシールドすることが要求されることに適切に対応することができる。

また、積層造形装置１による積層造形中、各ワイヤ状金属材料２にレーザービーム１１が照射されると、レーザービーム１１の一部が反射されて、積層造形装置１の先端付近の温度が上昇する。これに対し、積層造形装置１では、冷却水流路２７を冷却水が流通することにより、積層造形装置１の先端付近が冷却される。

このように、レーザービーム１１の照射位置ＬＰを変えることによって少なくとも３つのワイヤ状金属材料２のそれぞれにレーザービーム１１が照射されることにより、レーザービーム１１のサイズを小さくしてエネルギー密度を高く維持したまま各ワイヤ状金属材料２にレーザービーム１１を照射することができる。これにより、入熱の増加を抑制しながら積層造形時の移動方向の自由度を高めることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る積層造形装置について説明する。実施形態２に係る積層造形装置は、実施形態１に対して、形成された造形体を冷却可能にしたものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示されるように、実施形態２に係る積層造形装置１は、形成された造形体４０に粉状のドライアイス５１を供給するための供給部５０を備えている。その他の構成は実施形態１と同じである。

形成された造形体４０に、供給部５０から粉状のドライアイス５１が供給されると、造形体４０にドライアイス５１が確実に付着し、その後、ドライアイス５１は昇華してなくなる。このため、造形体４０を汚染することなく確実に冷却することができる。これに対し、ペレット状のドライアイスが供給される場合には、造形体４０に供給されたドライアイスが跳ね返ってしまい、造形体４０に付着することができないので、粉状のドライアイス５１を用いた場合に比べて造形体４０を冷却する効果は小さくなる。

尚、ドライアイス５１を供給する位置は、凝固直後の造形体４０で、第２シールドガス２４によるシールドを乱さない位置、具体的には、溶融池３０の中心付近から５０〜１００ｍｍ程度の範囲内であることが好ましい。

ただし、ドライアイス５１によって冷却するのは、オーステナイトステンレス鋼又はニッケル基合金を材質とするワイヤ状金属材料２を用いた場合である。急冷すると悪影響が出る材料、例えば炭素鋼を材質とするワイヤ状金属材料２を用いた場合には、ドライアイス５１を供給しないほうがよい。

実施形態１及び２ではそれぞれ、レーザー照射部４はプリズムローテーター４ａであったが、この形態に限定するものではない。レーザー照射部４は、レーザービーム１１の照射位置ＬＰを連続的に変えることによって３つのワイヤ状金属材料２のそれぞれに照射させることができるものであればどのようなものを用いてもよく、例えば、レーザービーム１１の進行方向を変えて、各ワイヤ状金属材料２に順番に又はランダムにレーザービーム１１を照射できるガルバルスキャナであってもよい。

実施形態１及び２ではそれぞれ、３つのワイヤ状金属材料２を用いていたが、３つに限定するものではない。４つ以上の任意の数のワイヤ状金属材料２を用いることもできる。ただし、３つ以上の任意の数のワイヤ状金属材料２を用いても、それらを１束にまとめて用いてしまうと移動の自由度を高める効果はない。円周方向に隣り合うワイヤ状金属材料２が互いに間隔をあけて、好ましくは等間隔で配置される必要がある。

実施形態１及び２ではそれぞれ、３つのワイヤ状金属材料２のそれぞれにコンタクトチップ１４及びガイド部材１３を装着していたが、少なくとも１つのワイヤ状金属材料２にコンタクトチップ１４を装着してもよく、又は、コンタクトチップ１４及びガイド部材１３を装着してもよい。

１ 積層造形装置
２ ワイヤ状金属材料
３ レーザー発振器
４ レーザー照射部
４ａ プリズムローテーター
５ 光ファイバー
１１ レーザービーム
１２ ワイヤ供給装置
１３ セラミックガイド
１４ コンタクトチップ（通電部）
１５ 電源
２１ 第１シールドガス供給部
２２ 第１シールドガス
２３ 第２シールドガス供給部
２４ 第２シールドガス
２５ 内管部
２６ 外管部
２７ 冷却水流路
２８ 給水源
３０ 溶融池
３１ 内側領域
３２ 外側領域
４０ 造形体
５０ 供給部
５１ ドライアイス
ＬＰ 照射位置
ＴＲ 軌跡

Claims (7)

1. 金属材料を溶融させて積層造形を行う積層造形装置であって、
   前記金属材料がワイヤ状に形成された少なくとも３つのワイヤ状金属材料であって、それぞれの先端が円周方向に互いに間隔をあけるように配置された少なくとも３つのワイヤ状金属材料と、
   レーザービームを発振するレーザー発振器と、
   前記レーザービームの照射位置を連続的に変えることによって前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれに照射させるレーザー照射部と
   を備える積層造形装置。
2. 前記レーザー照射部は、前記レーザービームを回転させるプリズムローテーターである、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの先端によって囲まれる内側領域に向かって第１シールドガスを供給する第１シールドガス供給部と、
   前記内側領域及び前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの先端を取り囲む環状の外側領域に向かって第２シールドガスを供給する第２シールドガス供給部と
   を備える、請求項１または２に記載の積層造形装置。
4. 前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料の少なくとも１つには、該ワイヤ状金属材料に通電して加熱するための通電部が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
5. 前記通電部を備える前記ワイヤ状金属材料には、該ワイヤ状金属材料の先端と前記通電部との間に、非導電性の材料から形成された筒状のガイド部材が、該ガイド部材に前記ワイヤ状金属材料が挿入されるようにして設けられている、請求項４に記載の積層造形装置。
6. 前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料のそれぞれの延びる方向と鉛直方向とがなす鋭角側の角度は３０°以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層造形装置。
7. 前記少なくとも３つのワイヤ状金属材料を溶融させて造形した造形部上に粉末状のドライアイスを供給するための供給部をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層造形装置。

Images