JP7046256B1

JP7046256B1 - レーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置

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Publication number: JP7046256B1
Application number: JP2021117978A
Authority: JP
Inventors: 昌樹近藤
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2022-04-01
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Abstract

【課題】粉末材料の溶融効率を可及的に向上させつつ、供給ノズルから供給される粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との相対的な位置関係を一定に維持可能なレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置を提供する。【解決手段】レーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりも供給ノズル移動方向の後側に位置するように又は該照射領域ｒ２の中心位置が粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域ｒ１に対する前記レーザ光の照射位置を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ光によって粉末材料を溶融固化して積層予定面に硬化層を形成するレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置に関する。

一般的なレーザ積層造形装置は、粉末材料を供給する供給ノズル及びレーザ光を照射するレーザ照射装置を搭載した加工ヘッドと、加工ヘッドを移動させる移動機構部とを備えている。このレーザ積層造形装置では、移動機構部により加工ヘッドを所定経路に沿って移動させつつ、該加工ヘッドに搭載された供給ノズルから被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給するとともに、レーザ照射装置から粉末材料の収束領域に向けてレーザ光を照射することで粉末材料を溶融固化して積層予定面に所望の形状の硬化層を形成する。

例えば特開２０１９－０５５４８４号公報（下記特許文献１）には、レーザ積層造形装置の一例が開示されている。このレーザ積層造形装置では、供給ノズルの吐出開口がレーザ光出射路の軸線（レーザ光の光軸）を囲むように円環状に形成されている。供給ノズルの他の形態として、例えば特開２０１８－０８６６６７号公報（下記特許文献２）に示すように、供給ノズルをレーザ出射路の側方に斜めに配置する場合もある。いずれの場合にも、レーザ光は通常、粉末材料の収束領域に照射される。

特開２０１９－０５５４８４号公報特開２０１８－０８６６６７号公報

特許文献１及び２に示すレーザ積層造形装置では、レーザ光を粉末材料の収束領域に照射するようにしているが、レーザ光による粉末材料の溶融効率（積層効率）を向上させる観点から、例えば、レーザ光の照射位置を粉末材料の収束領域からオフセットさせることが考えられる。

しかし、レーザ光の照射位置をオフセットさせると、加工ヘッドの移動方向が変化した場合に、レーザ光の照射領域と粉末材料の収束領域との相対的な位置関係が変化するため、粉末材料の溶融効率が加工ヘッドの移動方向によってばらつくという問題がある。

また、レーザ光の照射領域を粉末材料の収束領域からオフセットしていない場合であっても、例えば積層予定面が鉛直面である場合に、加工ヘッド全体を水平に保持した状態で鉛直面上の目標位置に向けて供給ノズルから粉末材料を略水平に又はやや斜めに噴射すると、供給ノズルから噴射された粉末材料が重力の影響を受けて目標位置よりも下側に収束してしまう。この結果、レーザ光の照射領域と粉末材料の収束領域との相対的な位置関係が重力の影響で変化してしまう。

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであって、供給ノズルから供給される粉末材料の溶融効率を可及的に向上させつつ、該粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との相対的な位置関係を一定に維持可能なレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置を提供することにある。

第１の発明は、供給ノズルから被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理を、前記供給ノズルを前記積層予定面に沿って所定の向きに相対移動させつつ連続的に実行する粉末材料供給工程と、該粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射するとともに、前記粉末材料の収束領域が供給ノズルと共に前記所定の向きに相対移動するのに伴ってレーザ光を該所定の向きに移動させるレーザ照射工程とを備え、該レーザ光によって粉末材料を溶融固化して前記積層予定面に硬化層を形成するレーザ積層造形方法であって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能にしておき、前記レーザ照射工程では、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。

第１の発明では、粉末材料供給工程において、供給ノズルから積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理が供給ノズルの移動と共に連続的に実行され、レーザ照射工程において、粉末材料の収束領域に対する所定位置に向けてレーザ光が照射される。これにより、積層予定面に供給された粉末材料がレーザ光によって溶融固化されることで積層予定面に硬化層が形成される。

そして、このレーザ積層造形方法においては、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能になっており、レーザ照射工程では、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に位置するように、粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置が制御される。これによれば、供給ノズルから供給される粉末材料の収束領域とレーザ光の照射位置との相対的な位置関係が常に一定に維持されるので、粉末材料の溶融効率のばらつきを抑えて積層効率を向上させることができる。また、レーザ光は粉末材料の収束領域よりも後側又は粉末材料の収束領域の中心位置に照射されるので、粉末材料の溶融効率を可及的に高めることができる。すなわち、粉末材料の収束領域の中心位置にレーザ光を照射する場合には粉末材料を偏りなく確実に溶融させることができる。また、レーザ光を粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの移動方向の後側に照射する場合には、積層予定面上に供給された粉末材料をレーザ光によって漏れなく加熱して溶融させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルを移動させる向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。

第２の発明では、レーザ照射工程において、供給ノズルを移動させる向きに拘わらず、レーザ光の照射領域を、粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置させることができる。よって、供給ノズルの相対移動方向によって粉末材料の収束領域とレーザ光の照射位置との相対的な位置関係が変化するのを防止し、延いては粉末材料の溶融効率を向上させることができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。

第３の発明では、レーザ照射工程において、供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射領域の位置関係を一定に維持することができる。ここで、供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係が変化する場合とは、例えば、積層予定面が鉛直面であるために、供給ノズルから噴射された粉末材料の収束領域が重力の影響で供給ノズルの軸線の延長上よりも下側にずれるような状況が挙げられる。

第４の発明は、第１から第３の発明のいずれか１つにおいて、前記粉末材料供給工程の実行前に前記供給ノズルの位置調整を行う位置調整工程をさらに備え、前記位置調整工程では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により、目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように前記供給ノズルの位置を制御することを特徴とする。

第４の発明では、粉末材料供給工程の実行前に位置調整工程が実行されることで供給ノズルの位置調整が行われる。この位置調整工程では、供給ノズルから噴射される粉末材料の収束領域が重力の影響で下側にずれるずれ量を予測し、このずれ量を補正するように供給ノズルの位置が制御される。これにより、供給ノズルから噴射される粉末材料を目標収束領域に精度良く収束させることができる。

第５の発明は、第１から第４の発明のいずれか１つにおいて、前記レーザ照射工程では、光源からレーザ光を出射し、出射したレーザ光を、揺動軸線回りに揺動可能な反射ミラーに反射させることで前記積層予定面に照射し、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。

第５の発明では、レーザ照射工程においてレーザ光の照射位置を制御する際には、レーザ光を反射する反射ミラーを使用して、当該反射ミラーを揺動軸線回りに揺動させることでレーザ光の反射方向が調整される。これによれば、反射ミラーを揺動させるという簡単な方法によりレーザ光の照射位置を容易に制御することができる。

第６の発明は、被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる供給ノズルを含む粉末材料供給部、及び粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射する光照射部を搭載した加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被積層体の積層予定面に沿って所定の向きに移動させる移動機構部とを備えたレーザ積層造形装置であって、前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を変更可能なレーザ可変機構部と、前記レーザ可変機構部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。

第６の発明では、制御部によりレーザ可変機構部を駆動制御することで、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するようにレーザ光の照射位置が制御される。したがって、第１の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第７の発明は、第６の発明において、前記制御部は、前記供給ノズルが移動する向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。

第７の発明では、供給ノズルが移動する向きの変化に拘わらず、レーザ光の照射位置が粉末材料の収束領域よりも供給ノズル移動方向の後側に位置するように制御部によるレーザ可変機構部の駆動制御が実行される。これにより、第２の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第８の発明は、第６又は第７の発明において、前記制御部は、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。

第８の発明では、供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずレーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が該粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように制御部によるレーザ可変機構部の駆動制御が実行される。これにより、第３の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第９の発明は、第８の発明において、前記制御部は、前記粉末材料供給部による粉末材料の供給を開始する前に、前記供給ノズルの位置調整制御を実行するように構成されており、前記位置調整制御では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように、前記移動機構部により前記加工ヘッドの位置を制御することを特徴とする。

第９の発明では、制御部において、前記粉末材料の収束領域が重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように加工ヘッドの位置が移動機構部を介して制御される。したがって、第４の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第１０の発明は、第６から第９の発明のいずれか１つにおいて、レーザ光を出射する光源をさらに備え、前記光照射部は、前記光源から出射させたレーザ光を反射して前記被積層体の積層予定面に照射する反射ミラーを有し、前記レーザ可変機構部は、前記反射ミラーを揺動軸線回りに駆動する駆動アクチュエータを有し、前記制御部は、前記レーザ可変機構部の前記駆動アクチュエータによって、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射領域を制御するように構成されていることを特徴とする。

第１０の発明では、制御部によって、反射ミラーの揺動軸線回りの揺動角度を変更することでレーザ光の照射位置が制御される。これにより、第５の発明と同様の作用効果を得ることができる。

以上のように、本発明に係るレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置によれば、粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能にしておき、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズル移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、該粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するようにしたことで、供給ノズルから供給される粉末材料の溶融効率を可及的に向上させつつ、該粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との相対的な位置関係を一定に維持することができる。

実施形態１に係るレーザ積層造形装置の構成を示す概略図である。図１のＡ部に相当する拡大図であって、加工ヘッドがＸ軸方向の一方側から他方側に移動する際のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。図２における粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との位置関係を示す平面図である。図１のＡ部に相当する拡大図であって、加工ヘッドがＸ軸方向の他方側から一方側に移動する際のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。図４における粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との位置関係を示す平面図である。実施形態２に係るレーザ積層造形装置において、加工ヘッドのチルト角が９０°に設定され且つ加工ヘッドがＺ軸方向の下側から上側に移動しながらレーザ積層造形を行う場合のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。実施形態２に係るレーザ積層造形装置において、加工ヘッドのチルト角が９０°に設定され且つ加工ヘッドがＹ軸方向に移動しながらレーザ積層造形を行う場合のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［実施形態１］
図１に示すように、本例のレーザ積層造形装置１は、加工ヘッド２、移動機構部３及び制御装置３０を備えていて、制御装置３０による制御の下、移動機構部３により加工ヘッド２を積層予定面Ｓに沿って移動させながらレーザ積層造形を行う。尚、図１の例では、積層予定面ＳはワークＷ（被積層体の一例）の表面とされているが、これに限ったものではなく、例えば既に積層された硬化層の表面や装置の基台であってもよい。

前記移動機構部３は、加工ヘッド２をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に直線移動させるためのボールネジ機構や、所定軸回り（本例では例えばＹ軸回り）に加工ヘッド２を揺動させるためのチルト機構などから構成され、ワークＷに対する加工ヘッド２の３次元の相対位置を変更可能に構成されている。

前記加工ヘッド２は、積層予定面Ｓに粉末材料を供給する粉末材料供給部１０と、積層予定面Ｓに向けてレーザ光を照射するレーザ照射部２０（光照射部の一例）とを有している。粉末材料供給部１０及びレーザ照射部２０は、筐体等を介してユニット化されていて前記移動機構部３により一体で駆動される。

レーザ照射部２０は、レーザ発振器２１、コリメータレンズ２２、反射ミラー２３、ミラー揺動機構部２４（レーザ可変機構部の一例）、照射ハウジング２５、及び集光レンズ２６を有している。

レーザ発振器２１は、レーザ光を出力する発振器で、一般的には、ＣＯ_２レーザ発振器が採用されるが、これに限られるものではない。図１の例では、レーザ発振器２１は、加工ヘッド２に搭載されているが、これに限ったものではなく、加工ヘッド２とは別の場所に固定しておき、レーザ発振器２１から出射されるレーザ光を光ファイバー等の光学伝送路を介して加工ヘッド２に導くようにしてもよい。

レーザ発振器２１の光出射口の下流側には、前記コリメータレンズ２２と反射ミラー２３とがこの順に並んで配置されており、前記照射ハウジング２５は反射ミラー２３の下側に配置され、前記集光レンズ２６は、照射ハウジング２５内の光学路２５ａに配置されている。

反射ミラー２３は、ミラー揺動機構部２４によって互いに直交する２軸回りに揺動可能に支持されている。具体的には、ミラー揺動機構部２４は、反射ミラー２３を支持する枠状のミラーホルダ２４ａを有している。ミラーホルダ２４ａは、Ｙ軸方向（図１の紙面垂直方向）から見て水平方向に対し傾斜するように配置されている。反射ミラー２３は、例えば円板状に形成されていており、そのＹ軸方向の両端部には、Ｙ軸方向の外側に延びる一対の第１揺動軸２４ｂが突設されている。この一対の第１揺動軸２４ｂはミラーホルダ２４ａに揺動可能に支持され、一方の第１揺動軸２４ｂはミラーホルダ２４ａに固定された第１揺動アクチュエータ２４ｄに連結されている。また、ミラーホルダ２４ａにおけるＹ軸方向に直交する直交方向の両端部には、該直交方向の外側に突出する一対の第２揺動軸２４ｃが突設されている。一対の第２揺動軸２４ｃは、不図示の支持部材に揺動可能に支持され、一方の第２揺動軸２４ｃは第２揺動アクチュエータ２４ｅに連結されている。第１揺動アクチュエータ２４ｄ及び第２揺動アクチュエータ２４ｅは、例えば小型のステッピングモータにより構成されている。各揺動アクチュエータ２４ｄ，２４ｅ（駆動アクチュエータに相当）を制御することで、第１揺動軸２４ｂ及び第２揺動軸２４ｃ回りの反射ミラー２３の揺動角度を調整可能になっている。各揺動アクチュエータ２４ｄ，２４ｅの駆動制御は、後述する制御部３２によって実行される。

照射ハウジング２５は、図１に示すように、上下方向において相互に嵌合状態で連結される第１ハウジング２５ｂ、第２ハウジング２５ｃ、第３ハウジング２５ｄ及び光出射ガイド２５ｅなどから構成される。照射ハウジング２５は、その中心部に上下に貫通した空間である光学路２５ａを備えており、その上端部に形成された開口である導入口（図示せず）に反射ミラー２３からの反射光が導入されるようになっている。光学路２５ａの導入口の直下には集光レンズ２６が配置されている。集光レンズ２６は、円筒状の押さえ部材２７を介して第２ハウジング２５ｃの段差面と第１ハウジング２５ｂの下面との間に挟まれて保持されている。集光レンズ２６としては、例えばｆθレンズなどが用いられる。

以上のように構成された加工ヘッド２によれば、前記レーザ発振器２１から出力されたレーザ光はコリメータレンズ２２を通過して平行光に変換された後、反射ミラー２３より反射されて照射ハウジング２５の導入口（図示せず）から光学路２５ａ内に入射し、入射したレーザ光は前記集光レンズ２６によって集光され、光出射ガイド２５ｅの下端に形成された開口２５ｆから照射される。尚、集光レンズ２６は前記開口２５ｆから所定距離離れた点で焦点が合うように前記レーザ光を集光する。

前記粉末材料供給部１０は、前記光出射ガイド２５ｅの開口２５ｆの周囲に配設された供給ノズル１１を有し、積層予定面Ｓ上における硬化層を形成する領域に、粉末材料（具体的には、金属粉末）をアルゴン等の不活性ガスからなるキャリアガスとともに供給する。前記レーザ光はこの粉末材料の収束箇所よりもヘッド移動方向の後側に照射される。キャリアガスとともに積層予定面に供給された金属粉末は、レーザ光のエネルギによって加熱、溶融されて溶融池が形成され、加工ヘッド２の移動によりレーザ光が照射されなくなった溶融池の溶融金属が凝固することにより所望の形状の硬化層が積層される（このような加工現象を「レーザ積層造形」という）。尚、本例では、レーザ光により加熱、溶融される金属の酸化及び飛散を防止するべく、図示しない供給ガス部より光出射ガイド２５ｅの光路内にシールドガス（例えばアルゴン等の不活性ガス）を供給して開口２５ｆから吐出させるようにしている。

前記制御装置３０は、加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部３１と、この加工プログラム記憶部３１に記憶された加工プログラムを基に、移動機構部３、粉末材料供給部１０、及び、レーザ照射部２０（具体的には、レーザ発振器２１、ミラー揺動機構部２４の各揺動アクチュエータ２４ｄ，２４ｅ）を制御する制御部３２とを備えている。

前記加工プログラムは、レーザ発振器２１のＯＮ，ＯＦＦなどの動作、前記加工ヘッド２を位置制御する前記移動機構部３の動作などをコードによって指令したものであり、この加工プログラムにより、ワークＷに対する加工ヘッド２の移動軌跡が画定される。

制御部３２は、不図示の操作盤より加工サイクルの実行指令を受け付けると、前記加工プログラムを実行、即ち、加工プログラム中に指令されたコードを解釈してこれに応じた制御信号を出力することでレーザ積層造形制御を実行する。レーザ積層造形制御では、移動機構部３、粉末材料供給部１０、及びレーザ照射部２０を動作させて積層予定面Ｓに所望の形状の硬化層を形成する。

具体的には、制御部３２は、レーザ積層造形制御の実行に際して粉末供給処理とレーザ照射処理とを並行して実行する。

粉末供給処理では、制御部３２による制御の下、粉末材料供給部１０の供給ノズル１１から積層予定面Ｓに向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理を、移動機構部３により加工ヘッド２を所定の向きに移動させつつ（換言すると供給ノズル１１を所定の向きに移動させつつ）連続的に実行する。

レーザ照射処理では、制御部３２による制御の下、粉末材料の収束領域ｒ１よりも加工ヘッド２の移動方向（以下、ヘッド移動方向という）の後側にレーザ光が照射されるようにレーザ発振器２１及びミラー揺動機構部２４を制御する。ここで、照射ハウジング２５と供給ノズル１１とは１つの加工ヘッド２に搭載されて一体で移動するので、レーザ光の照射領域ｒ２は、粉末材料の収束領域ｒ１の移動に追従して同方向に移動する。

制御部３２は、レーザ照射処理の実行に際し、ミラー揺動機構部２４（第１揺動アクチュエータ２４ｄ及び第２揺動アクチュエータ２４ｅ）を介して反射ミラー２３の揺動角度を制御することで、積層予定面Ｓにおける粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側にレーザ光を照射する。本例では、制御部３２は、収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１を通り且つヘッド移動方向に延びる直線上にレーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が位置するようにミラー揺動機構部２４を制御する。収束領域ｒ１と照射領域ｒ２との離間距離ｄは、例えばレーザ光の照射領域ｒ２の直径の１～１．５倍に設定されるが、これに限ったものではない
図２～図４を参照して、制御部３２により実行されるレーザ照射処理の具体例を説明する。図２は、加工ヘッド２をＸ軸方向の一方側から他方側（図１の右側から左側）に移動させる場合のＡ部拡大図であり、図３は、図２における粉末材料の収束領域ｒ１とレーザ光の照射領域ｒ２との位置関係を示す平面図である。図４及び図５は、これとは逆に、加工ヘッド２をＸ軸方向の他方側から一方側（図１の左側から右側）に移動させる場合の図２及び図３相当図である。

図２に示すように、加工ヘッド２をＸ軸方向の一方側から他方側に移動させる場合には、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１に一致する基準状態（図２の細二点鎖線の状態）に対して、反射ミラー２３をミラー揺動機構部２４の第１揺動アクチュエータ２４ｄによって、第１揺動軸２４ｂを支点に反時計回り方向に回転させる。これにより、図３に示すように、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が、粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１よりもヘッド移動方向の後側（Ｘ軸方向の一方側）に所定距離ｄだけオフセットされる。

これとは逆に、図４に示すように、加工ヘッド２をＸ軸方向の他方側から一方側に移動させる場合には、前記基準状態（図４の細二点鎖線の状態）に対して、反射ミラー２３をミラー揺動機構部２４の第１揺動アクチュエータ２４ｄによって、第１揺動軸２４ｂを支点に時計回り方向に回転させる。これにより、図５に示すように、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が、粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１よりもヘッド移動方向の後側（Ｘ軸方向の他方側）に所定距離ｄだけオフセットされる。

ここで、図２～図４では、加工ヘッド２の移動方向がＸ軸方向である例を説明したが、加工ヘッド２の移動方向がＹ軸方向である場合にも同様に、レーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側に位置するように制御部３２によるレーザ照射処理が実行される。この場合、制御部３２は、反射ミラー２３を、ミラー揺動機構部２４の第２揺動アクチュエータ２４ｅにより第２揺動軸２３ｃ回りに揺動させることでレーザ光のＹ軸方向の照射位置を制御する。

以上のように構成されたレーザ積層造形装置１によれば、前記加工プログラム記憶部３１に格納された加工プログラムに基づいて制御部３２によりレーザ積層造形制御が実行される。このレーザ積層造形制御では、制御部３２による制御の下、レーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向（供給ノズル移動方向と同方向）の後側に位置するようにミラー揺動機構部２４を介してレーザ光の照射位置を制御する。

これによれば、積層予定面Ｓに粉末材料が供給された後にレーザ光のエネルギによって該粉末材料を溶融させることができる。したがって、レーザ光を照射した箇所に後から粉末材料を供給する場合（つまりレーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の前側に位置する場合）に比べて、レーザ光のエネルギを効率良く粉末材料の加熱に利用することができる。よって、粉末材料の溶融効率を可及的に向上させることができる。また、加工ヘッド２の移動方向に拘わらず（換言すると供給ノズル１１の移動方向に拘わらず）、粉末材料の収束領域ｒ１とレーザ光の照射領域ｒ２との相対的な位置関係を一定に維持することができるので、加工ヘッド２の移動方向によって粉末材料の溶融効率がばらつくのを防止することができる。

また、本例では、制御部３２による制御の下、ミラー揺動機構部２４により反射ミラー２３の各揺動軸２４ｂ，２４ｃ回りの揺動角度を制御してレーザ光の反射方向を調整することで、粉末材料の収束領域ｒ１に対するレーザ光の照射位置を制御するようにしている。

これにより、反射ミラー２３を揺動させるという簡単な方法によりレーザ光の照射位置を容易に変更することができる。

［実施形態２］
図６は実施形態２の一例を示している。この実施形態は、供給ノズル１１から噴射される粉末材料が受ける重力の影響を考慮してレーザ光の照射位置を制御する点で実施形態１とは異なる。尚、図６において、実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

すなわち、本例のレーザ積層造形装置１では、制御部３２は、レーザ積層造形制御を実行する際に、加工ヘッド２のＹ軸回りの揺動角（チルト角）を基に、供給ノズル１１の軸線の鉛直方向に対する傾斜角を算出する。そして、制御部３２は、算出した傾斜角を基に、供給ノズル１１から噴射される粉末材料の収束領域ｒ１の目標収束領域（供給ノズル１１の軸線の延長位置）に対するずれ量δを予測し、予測したずれ量δを基に、粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側にレーザ光の照射領域ｒ２が位置するようにミラー揺動機構部２４を制御する。前記ずれ量δの算出式は、例えば、前記供給ノズル１１の先端から積層予定面Ｓまでの距離と、供給ノズル１１の軸線の傾斜角とを基に算出することができる。このずれ量δの算出式は、理論式であってもよいし、予め実験等にも基づいて算出した近似式であってもよい。

図６を基に、制御部３２により実行されるレーザ光照射処理の一例を説明する。図６では、図１の状態（照射ハウジング２５の軸線が鉛直になる状態）を基準として、加工ヘッド２を移動機構部３によりＹ軸回りに回動させてチルト角９０°に設定した状態を示している。このように加工ヘッド２のチルト角を９０°に設定することで鉛直な積層予定面Ｓに対してもレーザ積層造形を行うことができる。

図６は、一例として鉛直な積層予定面Ｓに対して加工ヘッド２をＺ軸方向に沿って下側から上側に移動させた場合を示している。図中の細二点鎖線は、重力の影響を考慮しない場合のレーザ光の照射状態を示している。この図から分かるように、重力の影響を考慮しない場合、レーザ光の照射領域が、粉末材料の収束領域ｒ１よりも上側、つまりヘッド移動方向の前側に位置してしまい、レーザ光を粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側に位置させるという制御目標を達成することができない。これに対して、本例では、制御部３２による制御の下、レーザ光の照射領域ｒ２を、図中の太二点鎖線で示すように、粉末材料の収束領域ｒ１のずれ量δと同じ量だけ下側に補正するようにしている。これにより、加工ヘッド２のチルト角に拘わらず、レーザ光の照射領域ｒ２を粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側に位置させることができる。換言すると、本例のレーザ積層造形装置１では、加工ヘッド２のチルト角が変化する等して、供給ノズル１１の軸線の延長位置（目標収束位置）に対する粉末材料の収束領域ｒ１の位置が変化したとしても、レーザ光の照射位置を粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向（供給ノズル移動方向と同方向）の後側に位置させることができる。したがって、実施形態１と同様の作用効果をより一層確実に得ることができる。

尚、鉛直方向に対する供給ノズル１１の傾斜角度が所定角度（例えば４５°）以下の場合には、上述した重力の影響は無視し得るので、前記ずれ量δに基づく補正制御を実行しないようにしもよい。これにより、制御部３２における演算負担を低減することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

前記各実施形態及び変形例では、制御部３２は、レーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向（供給ノズル移動方向）の後側に位置するようにレーザ照射処理を実行するように構成されているが、これに限ったものではなく、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１に一致するようにレーザ照射処理を実行するように構成されていてもよい。このように、粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１とレーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２とを一致させることで粉末材料を偏りなく確実に溶融させることができる。

前記実施形態２では、供給ノズル１１から噴射される粉末材料に作用する重力の影響を考慮して、収束領域ｒ１に対するレーザ光の照射位置を補正するようにしているが、この補正に加えて、粉末材料の収束領域ｒ１のずれ量δを補正するべく、移動機構部３により加工ヘッド２の位置（延いては供給ノズル１１の位置）を補正するようにしてもよい。具体例を説明すると、例えば図７に示すように、加工ヘッド２をＹ軸方向に沿って移動させる場合に、移動機構部３により加工ヘッド２を上側に距離δだけ移動させることで、供給ノズル１１が加工ヘッド２と共に上側に距離δだけ移動して、粉末材料の収束領域ｒ１を当初の目標収束位置に制御することができる。これにより、レーザ積層造形により生成される造形物の形状精度を向上させることができる。尚、図７に示すように加工ヘッド２をＹ軸方向に移動させる場合、制御部３２によってレーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１と同じ高さに制御される（図中の太二点鎖線参照）。

また、前記実施形態では、粉末材料の収束領域ｒ１が円形状として説明したが、供給ノズル１１の傾斜を考慮してＸ軸方向に長い楕円形状としてレーザ積層造形制御を実行してもよい。この場合のレーザ照射処理では、例えば、収束領域ｒ１の楕円中心位置と、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２との距離を一定に維持するか、又は、粉末材料の収束領域ｒ１におけるヘッド移動方向の後側の端縁からレーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２までの距離を一定に維持するなどすればよい。

また、前記各実施形態では、移動機構部３は、加工ヘッド２を移動させることでワークＷと加工ヘッド２との相対位置を変更可能に構成されているが、これに限ったものではない。すなわち、移動機構部３は、加工ヘッド２及びワークＷの双方を移動させるか、又は、固定された加工ヘッド２に対してワークＷを移動させることで両者の相対位置を変更するように構成されていてもよい。また、ワークＷと加工ヘッド２との相対位置の変更は三次元空間内に限らず、二次元平面内で行うものであってもよい。

また、前記各実施形態では、供給ノズル１１は、光出射ガイド２５ｅの側方に１つだけ配置されているが、これに限ったものではなく、例えば複数の供給ノズル１１を光出射ガイド２５ｅの開口２５ｆを囲むように周方向に等間隔に配置してもよい。この他にも、例えば、開口２５ｆを囲む環状の吐出口を有する環状供給ノズルを採用してもよい。

前記各実施形態では、ミラー揺動機構部２４を構成する第１揺動アクチュエータ２４ｄ及び第２揺動アクチュエータ２４ｅによって反射ミラー２３を直交二軸回りに揺動させるようにしているが、これに限ったものでない。すなわち、反射ミラー２３を揺動させるアクチュエータは揺動式のアクチュエータに限らず、例えば、伸縮可能な圧電素子により反射ミラー２３の厚さ方向の一方側面を押し引きすることで反射ミラー２３の揺動動作を実現するようにしてもよい。

繰り返しになるが、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

１レーザ積層造形装置
２加工ヘッド
３移動機構部
１０粉末材料供給部
１１供給ノズル
２０レーザ照射部（光照射部）
２３反射ミラー
２４ミラー揺動機構部（レーザ可変機構部）
２４ｄ第１揺動アクチュエータ（駆動アクチュエータ）
２４ｅ第２揺動アクチュエータ（駆動アクチュエータ）
３２制御部
Ｃ１中心位置
Ｃ２中心位置
Ｓ積層予定面
Ｗワーク（被積層体）
ｒ１粉末材料の収束領域
ｒ２レーザ光の照射領域
δ ずれ量

Claims

供給ノズルから被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理を、前記供給ノズルを前記積層予定面に沿って所定の向きに相対移動させつつ連続的に実行する粉末材料供給工程と、該粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射するとともに、前記粉末材料の収束領域が供給ノズルと共に前記所定の向きに相対移動するのに伴ってレーザ光を該所定の向きに移動させるレーザ照射工程とを備え、該レーザ光によって粉末材料を溶融固化して前記積層予定面に硬化層を形成するレーザ積層造形方法であって、
前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能にしておき、
前記レーザ照射工程では、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御し、
前記粉末材料供給工程の実行前に前記供給ノズルの位置調整を行う位置調整工程をさらに備え、
前記位置調整工程では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により、目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように前記供給ノズルの位置を制御することを特徴とするレーザ積層造形方法。
前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルを移動させる向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ積層造形方法。
前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ積層造形方法。
前記レーザ照射工程では、光源からレーザ光を出射し、出射したレーザ光を、揺動軸線回りに揺動可能な反射ミラーに反射させることで前記積層予定面に照射し、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ積層造形方法。
被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる供給ノズルを含む粉末材料供給部、及び粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射する光照射部を搭載した加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被積層体の積層予定面に沿って所定の向きに移動させる移動機構部とを備えたレーザ積層造形装置であって、
前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を変更可能なレーザ可変機構部と、
前記レーザ可変機構部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するように構成され、
前記制御部はさらに、前記粉末材料供給部による粉末材料の供給を開始する前に、前記供給ノズルの位置調整制御を実行するように構成されており、
前記位置調整制御では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように、前記移動機構部により前記加工ヘッドの位置を制御することを特徴とするレーザ積層造形装置。
前記制御部は、前記供給ノズルが移動する向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項５記載のレーザ積層造形装置。
前記制御部は、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項５又は６記載のレーザ積層造形装置。
レーザ光を出射する光源をさらに備え、
前記光照射部は、前記光源から出射させたレーザ光を反射して前記被積層体の積層予定面に照射する反射ミラーを有し、
前記レーザ可変機構部は、前記反射ミラーを揺動軸線回りに駆動する駆動アクチュエータを有し、
前記制御部は、前記レーザ可変機構部の前記駆動アクチュエータによって、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射領域を制御するように構成されていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のレーザ積層造形装置。
被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる供給ノズルを含む粉末材料供給部、及び粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射する光照射部を搭載した加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被積層体の積層予定面に沿って所定の向きに移動させるとともに、当該加工ヘッドを水平方向に延びる所定軸線回りに揺動駆動可能な移動機構部とを備えたレーザ積層造形装置であって、
前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を変更可能なレーザ可変機構部と、
前記レーザ可変機構部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記加工ヘッドの前記所定軸線回りの揺動角度を基に、前記供給ノズルの軸線の鉛直方向に対する傾斜角を算出して、算出した傾斜角を基に、前記供給ノズルから噴射される粉末材料の前記積層予定面における収束領域が、重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測し、予測したずれ量を基に、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するように構成されていることを特徴とするレーザ積層造形装置。