JP7137998B2 - 付加製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、粉体を加工位置に供給して堆積物を形成することにより、所望の造形物を製造する付加製造装置に関する。
従来、上述した付加製造装置として下記特許文献１に開示されるレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置は、適宜テーブル上にレーザ光を照射するレーザ光照射ヘッドを備え、このレーザ光照射ヘッドから照射されるレーザ光の集光部（焦点領域）に、付加材料となる粉体をキャリアガスとともに供給するように構成されている。レーザ光の集光部に粉体が供給されると、レーザ光のエネルギーにより粉体が加熱、溶融されて堆積される。この加工現象を一般的に「付加加工」と言う。
そして、前記レーザ光照射ヘッドの近傍には、前記粉体を含んだキャリアガスを吐出する供給ノズルが配設されており、この粉体は、当該粉体及びキャリアガスが貯留される適宜供給源に一方が接続され、他方が前記供給ノズルに接続された供給路を介して、前記供給ノズルから前記レーザ光の集光部に供給される。
また、レーザ光照射ヘッド及びテーブルは、少なくともその一方が適宜送り装置により駆動されて、当該レーザ光照射ヘッド及びテーブルが三次元空間内で相対的に移動し、この相対的な移動によって所定形状の堆積物が形成される。尚、前記供給ノズルは前記レーザ光照射ヘッドとともに前記テーブルに対して相対的に移動する。
ところで、前記送り装置によって実現される、前記レーザ光照射ヘッド及び供給ノズルと前記テーブルとの相対的な移動（相対移動）は、移動を開始する際には停止状態から加速された後、定速となり、移動を停止する際には定速状態から減速されて、停止される。また、前記相対移動の移動方向は堆積物の形成に応じて変更され、移動方向が変更される際には、その変更前に定速状態から減速され、変更後に加速される場合がある。
そして、供給ノズルの相対的な移動速度（以下、単に「移動速度」という）がこのように変化すると、供給ノズルから吐出される粉体の吐出レートが一定である場合には、テーブル上に設定された加工位置（即ち、粉体の供給位置であり、この供給位置は供給ノズルの移動によって刻々と変化する）への当該粉体の供給レート（言い換えれば、供給量）が変化することになり、このため、堆積物の形状を予定した形状に形成することができないという問題を生じる。
そこで、従来、供給ノズルの移動速度が変化する場合を考慮し、当該移動速度と粉体の供給レートとの比率が一定となるように、供給ノズルの移動速度に応じて、粉体の供給レートを調整する試みがなされている。そして、粉体の供給レートを調整する方法として、前記供給ノズルの近傍において、粉体の供給路に所謂３方向弁（３方向切換バルブ）を設けて、粉体を含むキャリアガスの流れを供給ノズルに向かう流れと前記供給源に還流される流れとの２方向に分流するとともに、３方向弁の各流路の開度を調整することで、供給ノズルに向かう流量と供給源に戻る流量とを調整する、即ち、供給ノズルに供給される粉体の供給レート（供給量）を調整する方法が提案されている。尚、このように、３方向弁を供給ノズルの近傍に設けるのは、３方向弁を供給ノズルから遠くに設けると、供給ノズルへの供給レートの変動に応答遅れを生じるため、供給ノズルの移動速度に合わせた供給レートの適切な調整ができないからである。
特開２０１８－８６６６７号公報
しかしながら、上記従来のように、粉体の供給路に３方向弁を設けて、粉体を含むキャリアガスの流れを供給ノズルに向かう流れと供給源に還流される流れとの２方向に分流すると、以下のような問題があった。
即ち、前記キャリアガスは供給路内で粉体を流通させる役割を担うとともに、前記レーザ光の集光部（付加加工位置）において、粉体が加熱、溶融されて堆積される付加加工の際に、当該付加加工位置を外部雰囲気から遮断することによって、堆積物が酸化されるのを防止する役割を担っている。これは、堆積材料が酸化されると製造物の材質が予定していたものとは異なるものとなり、その性質や強度に問題を生じるからである。
ところが、上述した３方向弁によって、粉体を含むキャリアガスの流れの一部を供給源に還流させるようにすると、当然のことながら、前記付加加工位置に供給されるキャリアガスの供給量が減少するとことになるため、当該付加加工位置において、堆積材料の酸化を十分に防止することができないのである。
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、供給ノズルの移動速度に応じて、粉体の供給レートを調整しつつも、キャリアガスの付加加工位置への供給量を一定に維持することが可能な付加製造装置の提供を、その目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、所定の加工領域に設けられ、開口部から粉体及びキャリアガスを吐出するノズル体と、
前記ノズル体に接続され、前記開口部に通じる供給路を介して前記粉体及びキャリアガスを供給する粉体供給部と、
前記粉体供給部の供給路に設けられ、前記粉体を含むキャリアガスの流れを、前記供給路から分岐する分岐流路に分流させて、前記ノズル体に供給される、前記粉体を含むキャリアガスの流量を調整する流量調整部と、
前記流量調整部に接続される分岐流路とを備えて構成される付加製造装置であって、
前記分岐流路は、前記ノズル体の開口部に通じる流路に接続されるとともに、該分岐流路には前記粉体とキャリアガスとを分離する分離装置が設けられ、
前記分離装置により粉体が分離されたキャリアガスが前記分岐流路を介して前記ノズル体に供給されるように構成された付加製造装置に係る。
本発明に係る付加製造装置によれば、粉体供給部から、所定の加工領域に設けられたノズル体に粉体を含むキャリアガス（以下、「流体」という）が供給され、供給された流体がこのノズル体の開口部から吐出される。尚、本発明における付加製造装置には、レーザ加工装置など、粉体を加熱、溶融して堆積させる、言い換えれば付加加工を行うことができる公知のあらゆる装置が含まれる。
そして、粉体供給部から供給される流体は、供給路に設けられた流量調整部により、当該供給路から分岐する分岐流路にその一部が分流され、これにより前記ノズル体に供給される流体の流量が調整される。一般的に、付加製造装置は、加工領域内に設けられた加工テーブルと前記ノズル体とを三次元空間内で相対的に移動させる送り装置を備えている。そして、加工テーブルとノズル体との相対的な移動速度は、その加減速の際に変動し、また、加工条件に応じて変動するが、その際、前記流量調整部により、加工テーブルとノズル体との相対的な移動速度に応じて、当該ノズル体に供給される流体の流量が調整される。斯くして、このようにして、ノズル体に供給される流体の流量を調整することにより、堆積物の形状を予定した形状となるように高精度に仕上げることができる。
一方、流量調整部によって分岐流路に分流された流体は、当該分岐流路に設けられた分離装置によって粉体とキャリアガスとに分離され、分離されたキャリアガスは分岐流路を介して（通じて）前記ノズル体に供給される。そして、分岐流路を通じて供給されたキャリアガスは、前記供給路を通じて前記ノズル体に供給される流体と混合され、当該ノズル体の開口部から吐出される。
斯くして、前記ノズル体には常に一定流量のキャリアガスが供給され、その開口部から吐出されるので、付加加工によって堆積物が形成される付加加工位置は常に一定流量のキャリアガスによって外部雰囲気から遮断される。これにより、付加加工位置の堆積材料が外部雰囲気によって酸化されるのが効果的に防止される。
尚、本発明では、前記分離装置によって分離された粉体を回収する粉体回収部を備えているのが好ましい。粉体回収部を備えることにより、分離された粉体を無駄にすること無く、粉体の供給源に戻して再使用することができる。
また、前記分離装置はサイクロン式の分離機構を備えているのが好ましい。サイクロン式の場合には、フィルタなどの部品を用いる必要が無く、効率的にしかも低費用で粉体とキャリアガスとを分離することができる。
また、前記分岐流路は、前記ノズル体の開口部に通じる流路に、逆流防止部材を介して接続されているのが好ましい。このようにすれば、供給路を通じてノズル体に供給される流体が分岐流路に逆流するのが、当該逆流防止部材によって防止される。
本発明によれば、流量調整部により、加工テーブルとノズル体との相対的な移動速度に応じて、ノズル体に供給される流体の流量を調整することができ、このようにして、ノズル体に供給される流体の流量を調整することにより、堆積物の形状を予定した形状となるように高精度に仕上げることができる。
また、流量調整部により分岐流路に分流された流体は分離装置によって粉体とキャリアガスとに分離され、分離されたキャリアガスが分岐流路を通じてノズル体に供給されるので、当該ノズル体には常に一定流量のキャリアガスが供給され、堆積物が形成される付加加工位置は常に一定流量のキャリアガスによって外部雰囲気から遮断される。これにより、付加加工位置の堆積材料が外部雰囲気によって酸化されるのが効果的に防止される。
本発明の一実施形態に係る付加製造装置の概略構成を示した説明図である。 本実施形態に係る流量調整装置を示した正面図である。 図２における矢視Ａ方向の側面図である 図３における矢視Ｂ－Ｂ方向の断面図である。 本実施形態に係る分離装置を示した平面図である。 図５における矢視Ｃ－Ｃ方向の断面図である。
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。図１に示すように、本例の付加製造装置１はレーザ加工装置であり、レーザ光照射ヘッド２、加工テーブルＴ、供給ノズル３、粉体供給装置４、流量調整装置１０及び分離装置３０などを備えて構成される。
前記レーザ光照射ヘッド２は、図示しないレーザ発振器に接続されており、このレーザ発振器によって生成され、適宜伝送路を介して伝送されたレーザ光を前記加工テーブルＴに向けて照射し、当該加工テーブルＴ上に集光させる。
また、前記供給ノズル３は、前記レーザ光照射ヘッド２から照射されたレーザ光が集光される前記加工テーブルＴ上の集光部（焦点領域）に、付加材料となる粉体を含んだキャリアガスを吐出するノズル体である。斯くして、レーザ光の焦点領域に粉体が供給されると、当該粉体がレーザ光のエネルギにより加熱、溶融されて堆積され、所望の形状が形成される、即ち、付加加工される。
尚、前記レーザ光照射ヘッド２と加工テーブルＴとは、図示しない数値制御装置により制御される適宜送り装置によって少なくともその一方が駆動され、三次元空間内で相対的に移動する。数値制御される送り装置には従来公知の適宜送り機構を用いることができ、例えば、サーボモータによって駆動されるボールねじ機構を用いることができる。また、供給ノズル３は前記レーザ光照射ヘッド２に付設され、このレーザ光照射ヘッド２とともに移動する。
前記粉体供給装置４は、粉体タンク５、ガスタンク６及び供給路となる供給管７ａ，７ｂ，７，２４から構成される。粉体タンク５には、本例の付加製造装置（レーザ加工装置）１で用いられる適宜金属粉体が貯留され、また、前記ガスタンク６には、金属粉体を流通させるためのキャリアガスであるアルゴンガスが貯留されている。尚、本例では、金属粉体を用いるが、この金属粉体以外にも付加加工の目的に合わせて適宜粉体を用いることができる。また、キャリアガスについても、不活性なガスであれば特に制限はなく、アルゴンガスの他に、例えば窒素ガス、ヘリウムガスなどを用いることができ、或いはアルゴンガスを含めたこれらの混合ガスを用いることができる。
前記粉体タンク５には供給管７ａが接続され、また、前記ガスタンク６には供給管７ｂが接続されており、これら供給管７ａ及び７ｂは前記流量調整装置１０に接続された供給管７に接続されている。斯くして、粉体タンク５から供給管７ａを通じて供給される金属粉体（以下、単に「粉体」という）は、ガスタンク６から供給管７ｂを通じて供給されるキャリアガスと混合され、混合された粉体を含むキャリアガス（以下、「流体」という）が供給管７を通じて流量調整装置１０に流通される。
前記流量調整装置１０は、前記供給ノズル３の手前であるその近傍に設けられ、供給管７を通じて流通した流体を、供給ノズル３に通じた供給管２４と、分離装置３０に通じた分岐管２５とに振り分ける。
図２及び図３に示すように、流量調整装置１０は、本体１１、この本体１１に接合される蓋体２０、この蓋体２０にブラケット２１を介して固設されるサーボモータ２２などを備えて構成される。
前記本体１１は角柱形をしたブロック状の部材から構成され、図４に示すように、その上端面に開口する第１流路１２と、この第１流路１２から二股に分岐し、それぞれ本体１１の下面に開口する第２流路１３及び第３流路１４とが形成されている。そして、本体１１の上面には、第１流路１２の開口部に接続するジョイント１５が設けられ、このジョイント１５に前記供給管７が接続されている。また、本体１１の下面には、第２流路１３の開口部に接続するジョイント１６、及び第３流路１４の開口部に接続するジョイント１７がそれぞれ設けられ、ジョイント１６には前記供給管２４が接続され、ジョイント１７には分岐流路となる前記分岐管２５が接続されている。
尚、図４において、第１流路１２、第２流路１３及び第３流路１４について破線のハッチングを付した領域は溝形状を有する領域であり、図３における蓋体２０側から加工され、同部が蓋体２０によって封止されている。また、破線のハッチングを付した領域以外の第１流路１２は本体１１の上面から穿孔された円孔であり、第２流路１３及び第３流路１４も同様に、それぞれ本体１１の下面から穿孔された円孔となっている。
前記第１流路１２から二股に分岐する分岐部には、第１流路１２と直交するように設けられた回転軸１９を中心として時計回りと反時計回りとに揺動する調整弁１８が設けられている。調整弁１８は鳥のくちばし状をした部材からなり、図４において実線で示すように時計回りに揺動して、その先端部が第１流路１２の右内側面に当接したとき、第２流路１３が閉じられて第１流路と第３流路１４とが完全に連通された状態となり、一方、２点鎖線で示すように、調整弁１８が反時計回りに揺動して、その先端部が第１流路１２の左内側面に当接したとき、第３流路１４が閉じられて第１流路と第２流路１３とが完全に連通した状態となる。そして、調整弁１８が中間位置にあるときには、第１流路１２と第２流路１３、及び第１流路１２と第３流路１４との各開口度合いが、調整弁１８の角度位置に応じたものとなる。
前記回転軸１９は蓋体２０を貫通して外方に延出しており、その先端部がカップリング２３を介して前記サーボモータ２２の出力軸２２ａと連結され、当該サーボモータ２２によって回転される。尚、このサーボモータ２２も上述した数値制御装置（図示せず）によって制御される。
斯くして、この流量調整装置１０では、供給管７を通じて流通した流体がジョイント１５から第１流路１２に流入し、第１流路１２に流入した流体は調整弁１８の作用によって第２流路１３及び第３流路１４に分流される。第２流路１３及び第３流路１４に分流される流体の各流量は調整弁１８の角度位置に依存しており、調整弁１８の角度位置に応じて設定される第１流路１２と第２流路１３、及び第１流路１２と第３流路１４との各開口度合いによって決定される。そして、調整弁１８の角度位置は数値制御装置（図示せず）によって制御されており、この結果、第２流路１３及び第３流路１４の各流量は当該数値制御装置（図示せず）によって制御される。
前記分離装置３０は、所謂サイクロン式によって、粉体とキャリアガスを分離するもので、上下に連結される円筒状をした上本体３１及び下本体３７などから構成される。上本体３１には、下面に開口する円筒状の分離空間３２が形成され、この分離空間３２の上部は円環状に形成されており、更に、この円環空間３２ａの内周面及び上本体３１の外周面に開口するように供給流路３３が形成されている。そして、上本体３１の外周面開口部には、ジョイント３５が接続され、このジョイント３５には分岐管２５が接続されている。また、上本体３１の中心部は上下に貫通する吐出流路３４が形成され、上本体３１の上面に開口する当該吐出流路３４の開口部には、ジョイント３６が接続され、ジョイント３５には分岐流とを構成する分岐管２６が接続されている。尚、図１に示すように、分岐管２６は、前記供給管２４に接続されており、その中間位置には逆流防止部材４２が設けられている。
前記下本体３７には、上面に開口し、下方に向けて次第に縮径するように形成された分離空間３８が設けられており、この分離空間３８は、下本体３７の下面に開口するように穿孔された回収流路３９に通じている。そして、下本体３７の下面に開口する回収流路３９の当該開口部にはジョイント４０が接続され、ジョイント４０には回収管４１が接続されている。尚、回収管４１は所定の収容量を有する回収ボックス４５に接続している。
斯くして、この分離装置３０によれば、前記流量調整装置１０から分岐管２５を通じて流通した流体が供給流路３３を通じて円環空間３２ａ内に流入する。そして、円環空間３２ａ内に流入した流体は、分離空間３２及び３７の内周面に沿い且つ下方に向けた旋回流となって流通した後、分離空間３７の底部において、下方に向かう旋回流から上方に向かう上昇流に変換され、この流通過程において粉体とキャリアガスとに分離される。そして、分離された粉体はジョイント４０及び回収管４１を介して回収ボックス４５に回収され、一方、キャリアガスは分離空間３７及び３２の中心部において上方に向かう上昇流となって吐出流路３４及びジョイント３６を通じて分岐管２６に吐出される。
前記回収ボックス４５は、適宜フィーダ４６によって前記粉体タンク５に接続されており、当該回収ボックス４５に回収された粉体は、このフィーダ４６によって粉体タンク５に還流される。
以上の構成を備えた本例の付加製造装置１によれば、レーザ発振器（図示せず）から適宜伝送路を介してレーザ光照射ヘッド２にレーザ光が伝送され、伝送されたレーザ光が当該レーザ光照射ヘッド２から加工テーブルＴに向けて照射され、照射されたレーザ光が当該加工テーブルＴ上に集光される。一方、供給管７ａを通じて粉体タンク５から供給される粉体と、供給管７ｂを通じてガスタンク６から供給されるキャリアガスとが供給管７において混合され、混合された粉体を含むキャリアガス（流体）が供給ノズル３に供給される。そして、この供給ノズル３から加工テーブルＴ上のレーザ光集光部（焦点領域）に向けて流体が吐出され、吐出された流体に含まれる粉体がレーザ光のエネルギにより加熱、溶融されてその場（付加加工位置）に堆積される。
レーザ光照射ヘッド２と加工テーブルＴとは、数値制御装置（図示せず）による制御の下で、適宜送り装置（図示せず）により駆動されて三次元空間内で相対的に移動しており、このような移動によって、加工テーブルＴ上で付加加工が実行され、所望の立体形状の造形物が形成される。
また、供給ノズル３への流体の供給量は、数値制御装置（図示せず）による制御の下で、流量調整装置１０によって調整される。即ち、流量調整装置１０のサーボモータ２２は数値制御装置（図示せず）により制御されており、当該数値制御装置（図示せず）による制御の下で、指令された角度位置に調整弁１８を揺動させる。これにより、第１流路１２と第２流路１３、及び第１流路１２と第３流路１４との各開口度合いが調整弁１８の角度位置に応じて調整され、第１流路１２から第２流路１３及び第３流路１４に分流される各流量が調整される。そして、このようにして流量調整された一方の流体が供給管２４を通じて供給ノズル３に供給され、他方の流体は分岐管２５を通じて分離装置３０に流通される。
上述したように、レーザ光照射ヘッド２と加工テーブルＴとの相対移動において、移動を開始したり、或いは移動を停止し、更には移動方向を変える際には、その相対移動の速度が変化し、レーザ光照射ヘッド２に付設される供給ノズル３の移動速度も変化する。そして、供給ノズル３の移動速度が変化すると、供給ノズル３から吐出される粉体の吐出レートが一定である場合には、加工テーブルＴ上に設定された加工位置への当該粉体の供給レートが変化するため、堆積物の形状を予定した形状に形成することができないという問題を生じる。
本例の付加製造装置１では、供給ノズル３に供給される流体の供給量を流量調整装置１０によって調整することができるので、供給ノズル３に供給される流体の供給量を、当該供給ノズル３の移動速度と流体の供給レートとの比率がほぼ一定となるように、適切調整することができ、これにより、付加加工における加工形状を予定した形状に高精度に仕上げることが可能となる。
一方、分岐管２５を通じて分離装置３０に分流された流体は、当該分離装置３０により粉体とキャリアガスとに分離され、分離されたキャリアガスは分岐管２６を通じて供給管２４に流入する。これにより、供給管２４を通じて流通する流体に分岐管２６を通じて流入したキャリアガスが混合され、このように混合された流体が加工テーブルＴ上の付加加工位置に供給される。即ち、付加加工によって堆積物が形成される付加加工位置には、流量調整装置１０によって分流される前と同じ流量のキャリアガスが供給され、当該付加加工位置は流量調整装置１０による分流作用に関わりなく常に一定流量のキャリアガスによって外部雰囲気から遮断される。これにより、付加加工位置の堆積材料が外部雰囲気によって酸化されるのが効果的に防止される。
また、本例の付加製造装置１では、前記分離装置３０によって分離された粉体を回収する回収ボックス４５を備え、この回収ボックス４５に回収された粉体を適宜フィーダ４６によって前記粉体タンク５に還流させるようにしているので、分離された粉体を無駄にすること無く、粉体の供給源に戻して再使用することができる。
また、前記分離装置３０はサイクロン式の分離機構を備えているので、フィルタなどの部品を用いる必要が無く、効率的にしかも低費用で粉体とキャリアガスとを分離することができる。
また、前記分岐管２６に逆流防止部材４２を設けているので、供給管２４を通じて供給ノズル３に供給される流体が分岐管２６に逆流するのが、当該逆流防止部材によって防止される。
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明が採り得る態様は何ら上例のものに限定されるものではない。
例えば、上例では、付加製造装置１としてレーザ加工装置を例示したが、本発明に係る付加製造装置はレーザ加工装置に限定されるものではなく、粉体を加熱、溶融して堆積させる、言い換えれば付加加工を行うことができる公知のあらゆる装置が含まれる。
また、上例において例示した流量調整装置１０の構造はあくまでも一例であって、これに限られるものではなく、供給管７を通じて流通する流体を供給管２４及び分岐管２５の２つの流路に分流して、その流量を調整することができるものであれば、どのような構造のものであっても良い。
また、分離装置３０についても上述した構造のものに限られるものではなく、粉体とキャリアガスとに分離することができれば、どのような構造のものであっても良い。
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およ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 付加製造装置
２ レーザ光照射ヘッド
３ 供給ノズル
４ 粉体供給装置
５ 粉体タンク
６ ガスタンク
７，２４ 供給管
１０ 流量調整装置
１１ 本体
１２ 第１流路
１３ 第２流路
１４ 第３流路
１８ 調整弁
１９ 回転軸
２２ サーボモータ
２５，２６ 分岐管
３０ 分離装置
３１ 上本体
３７ 下本体
３２，３８ 分離空間
４２ 逆流防止部材
４５ 回収ボックス

Claims (4)

  1. 所定の加工領域に設けられ、開口部から粉体及びキャリアガスを吐出するノズル体と、
    前記ノズル体に接続され、前記開口部に通じる供給路を介して前記粉体及びキャリアガスを供給する粉体供給部と、
    前記粉体供給部の供給路に設けられ、前記粉体を含むキャリアガスの流れを、前記供給路から分岐する分岐流路に分流させて、前記ノズル体に供給される、前記粉体を含むキャリアガスの流量を調整する流量調整部と、
    前記流量調整部に接続される分岐流路とを備えて構成される付加製造装置であって、
    前記分岐流路は、前記ノズル体の開口部に通じる流路に接続されるとともに、該分岐流路には前記粉体とキャリアガスとを分離する分離装置が設けられ、
    前記分離装置により粉体が分離されたキャリアガスが前記分岐流路を介して前記ノズル体に供給されるように構成されていることを特徴とする付加製造装置。
  2. 前記分離装置によって分離された粉体を回収する粉体回収部を備えていることを特徴とする請求項１記載の付加製造装置。
  3. 前記分離装置はサイクロン式の分離機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の付加製造装置。
  4. 前記分岐流路は、前記ノズル体の開口部に通じる流路に、逆流防止部材を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかの付加製造装置。

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