JPS6152373A - レ−ザビ−ムを用いた加工方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属、合金、セラミックス等の粉末をレーザ
ビームを用いて加熱固化することによって製品、あるい
は被加工物に対する被着層を得るレーザビームを用いた
加工方法とその装置に関する。

（従来の技術） 従来、複雑な形状の製品を作る場合には、複雑な形状の
型を用いた鋳造や焼結加工を等によらなければならなか
ったため、加工上のフレキシビリティがなかった。また
、製品形状が変わると型も変えなければならないから、
加工費用が高価となるという問題点があった。ＮＣ工作
機械を用いればかなり精度の高い複雑な形状ができるが
、外側から加工しなければならないという制限から、鋳
造等の型を用いる加工には及ばなかった。

また、従来、機械部品の製造は、材料メーカが作った規
格の合金材料の素材を加工し、熱処理して所望の部品を
作っているが、この方法によると、種々の材料を溶解混
合して所望の材料を準備することは、設備や技術の点で
ほとんどの企業にとって不可能であり、結局は市販され
ている材料を購入して加工する場合がほとんどである。

従って特別層材料を用いることができないし、−・部品
中で場所により材質を変えたい場合には部品をそこで分
割してメカニカルに結合するか、溶接等で結合しなけれ
ばならなかった。

また、従来の粉末からの加工方法として、被加工体にア
ルゴンガスにより１０００〜２０００気圧の静水圧を加
わえ、高温（２０００℃位まで）で焼結させる加工方法
（ＨＩＰ法）があるが、設備費が高く、また面倒なカプ
セル操作や脱気操作が必要である。

また、粉末からの加工方法として、特公昭３７−８．６
７３号公報、同３９−２７７４号公報や特開昭４９−１
８　、７２７号公報等に記載のように、電子ビームを用
いる方法があるが、この方法による場合は、真空容器や
脱気操作が必要となるという欠点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、粉末から製品を加工する場合に、高価な設備
を必要とせず、かつ面倒な操作を必要とせず、さらに複
雑な形状の製品を特別な治具や型を用いずに容易に加工
することが可能となる加工方法を提供しようとするもの
である。

また本発明は、上記加工を行なう場合に、加エト有利と
なる加工装置を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の加工方法は、一種以上の材料でなる被加工粉末
を材料供給口から加工台あるいは被加工材料上に供給し
、供給された被加工粉末にレーザビームを照射すると同
時に、レーザビーム照射位置および加工台あるいは被加
工材料を少なくとも２次元方向に照射レーザビームに対
して相対的に位置制御すると共に、特別な治具や型を用
いずに、被加工粉末を焼結あるいは溶融させて所望の形
状の加工物あるいは被加工材料上に形成された被着層を
得ることを特徴とする。

また本発明の加工装置は、レーザビームを被加工物ある
いは加工台に照射するヘッドの中心軸に対し、被加工粉
末を被加工物あるいは加工台に供給するノズルを有する
粉末供給シリンダを全周にわたって旋回可能に、かつ前
記ノズルが前記レーザビームの被照射部位に向くように
取付けたことを特徴とする。

（作用） 本発明においては、被加工粉末の供給位置およびレーザ
ビーム照射位置に対する制御を行なうことにより、非真
空状態であっても任意の形状の製品を加工することがで
きる。また本発明の装置においては、レーザビームの回
わりに粉末供給シリンダが回転できるため、常に好適位
置から粉末を供給することができ、任意の曲線に沿って
成形が可能となる。即ち、もし、粉末供給シリンダがレ
ーザビームに対して固定されると、−直線の品物しか成
形できないのである。

（実施例） 第１図は本発明による加工方法を原理的に示す図であり
、一種以上の材料でなる被加工粉末１を粉末供給シリン
ダ２の材料供給口２ａから加工台３（あるいは被加工材
料）上に供給し、供給された被加工粉末１にレーザビー
ム４を照射すると同時に、レーザビーム照射位置および
加工台あるいは被加工材料を３次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向
に相対的に位置制御を行なうことにより、被加工粉末１
を加熱固化させて所望の形状の加工物（あるいは被加工
材料りに形成された被着層）を得るものである。

本発明の加工方法において、被加工物粉末としては、金
属、合金の１種あるいは２種以上のものを混合したもの
が採用でき、セラミックスの粉末の加工も可能である。

これらの粉末の製造方法としては、各金属等の材質によ
って好適な方法があり、例えば酸化物の還元により　Ｗ
　、　Ｍｏ　、　Ｆｅ　、　Ｎｉ　、　Ｇｏ粉等を作る
ことができ、また水溶液からの還元により複合粉（例え
ば黒鉛粉とＺｎ粉）　、Ｃｕ、　Ｎｉ粉等を作ることが
でき、金属カルボニルの熱分解によってＦｅ、Ｎｉ粉等
を作ることができ、溶融塩の電解によってＣｕ。

Ａｇ、Ｆｅ粉等を作ることができ、粉砕によって超硬材
料、もろい電解析出金属、還元法、電解法の仕上還元後
のスポンジ状金属や脆化処理を施した金属等に用いられ
、ノズルから流出する溶湯流に水、空気、不活性ガス等
を吹き付けて粉化する噴霧法は合金粉末を作るのに好適
であり、その他にも種々の製造方法がある。

このような粉末を原材料として用いる場合、レーザビー
ムによる加熱を行なう前に粉末供給シリンダ２により圧
縮される。この圧縮性は粒子の形状や粒度分布が大きく
かかわってくる。また粉末原料に混合することのある粘
着剤も重要な因子になる。また、供給口２ａから粉末を
供給する際、供給口２ａから出た後直ぐにくずれたり欠
けたりしてはフォーミングができないので、成形性が問
題となるが、この成形性は、粒子の形状が不規則形状で
あることが好ましく、かつ粘着剤の性質と量が問題とな
る。また、粉末の粒度および粒度分布は、製品の密度、
強度等に重要な影響を与える因子であり、粒子は単一粒
子が連結した二次粒子よりも一次粒子の方が密度、強度
の点からは好ましい。また、何種類かの粉末を混合した
時、比重が違いすぎると偏析してしまい、うまく均一に
混合できないという状態となるが、このようなときには
、一つの方法として比重の大きい方の粉末は見掛は密度
の小さいもの、比重の小さい方の粉末は見掛は密度の大
きいものを選ぶことにより、偏析を少なくすることがで
きる。

−力、前記粘着剤について述べると、本発明においては
、粉末原料を線状や所定の幅および厚みを有する帯状に
押し出してそれにレーザビームを照射するので、その照
射が行なわれるまで形がくずれてはならないが、この成
形性を持たせるために成形性の悪い原料を扱う際に混合
するのが粘着剤である。しかし本発明においては、供給
口２ａの間際でレーザビームを照射するので、それ程強
力な粘着剤は必要でなく、例えば水、アルコール、ケト
ン、油、コロジオン液、その他の粘性の少ない液体を用
いることができる。

本発明の方法により粉末を加熱固化する場合、大気の雰
囲気中で作業を行なうことができるが、Ｗ、Ｎｏを焼結
する場合に水素雰囲気や不活性ガス中で加工することが
行われていることを考慮すれば、超硬合金や焼結磁性材
料を加工する場合には、水蒸気と散票を除去した水素雰
囲気下や所望不活性ガス中で加工を行なうのが好ましい
。水素中に水蒸気が多いと、脱炭や酸素との親和力の強
い元素との酸化が起こりやすい。水素の代用として、分
解アンモニアを用いることかでき、アンモニアは廉価で
あるという利点があるが、窒化されやすい元素が含まれ
ている材料では脆化、耐蝕性の低Ｆを招来することがあ
る。炭化水素と空気を−・定の割合で混合し、Ｎｉ触媒
の存在下で加熱変成したガスは、鉄系部品の加工におい
て、製品中の炭素酸と平衡するような露点の雰囲気ガス
にすることにより、脱炭、浸炭が起こらないようにする
ことができる。また、Ｔｉ、Ｔａの加工や超硬合金の加
工では、場合によっては真空雰囲気が用いられるが、こ
れは勿論レーザビーム照射の障害に係る問題ではなく、
製品の成分」二の必要から求められる雰囲気である６ 本発明は、前記のようにレーザビームを用いる方法であ
るが、従来の被加工体に対する穴あけ、切断、溶接、熱
処理、微小量除去の場合と異なり、第２図において、照
射レーザビームのパルス長（Ｓ）と、パワー密度（Ｗ／
ａｓ２）の組合わせに関して表示するように１本発明の
加工に好適な範囲は、パルス長（５）が約２Ｘ１０−２
〜５Ｘ１０４、パワー密度（Ｗ／ａｍ２）が３×１０４
〜２×１０５程度であるが、加工すべき材料や厚さ等に
よって、他の範囲も用いられる。ｆｆ１２図に示した本
発明に用いる範囲は、粉末が極端に溶融したり、蒸発を
少なくとも完全にはしない範囲である。

一方、本発明加工装置の具体的パラメータで考えると、
被加工粉末に対するレーザビームの移動速度、ビームパ
ワー、被加工粉末の供給厚さ、材質等が関係し、最適値
が存在する。即ち、単位時間、単位体積当りのエネルギ
投入量によって加工状態が変ってくるが、この単位エネ
ルギが高すぎると、被加工粉末は溶解し過ぎてしまい、
形が崩れてしまう。またエネルギが少な過ぎると粉末同
士の結合が弱くなってしまう、そしてレーザビームのス
ポット径は被加工粉末の成形幅を充分カバーする大きさ
が必要である。

また、本発明に用いるレーザは、市販の固体レーザであ
るルビー、ガラス、ＹＡＧレーザや、気体レーザである
ＣＯ２レーザ、その他各種のレーザを用いることができ
る。前記した市販の固体レーザは波長が短かいので、マ
イクロ加工に向いているといえるが、一般的にはパワー
が小さい、ＣＯ２レーザは、波長がこれらより長いが、
パワーがあり、比較的大型の製品の加工に向いており、
また、固体レーザに比較して波長が長いため、金属表面
からの反射率が高いが、逆に非金属材料への吸収率は高
いという特徴を持つ。

また、ビームモードとしては、モードの光の強さがガウ
ス分布するシングルモードと、多くの山があるマルチモ
ードがあるが１本発明の方法を実施する上においては、
広い面積を一様に加熱できるマルチモードが能率上好ま
しい、また、本発明以外のレーザビームによる作業を可
能とするため、マルチモードとシングルモードの両方に
自由に切換えられることが望ましい。ビームの出力形態
としては、連続出力とパルス出力とのいずれの形態も採
用できる。また、レーザビームの径の制御が自由にでき
ると加工のフレキシビリティ−が向上するが、これはビ
ームの軸心方向の焦点距離を変化させる゛ことによって
可能になる。具体的には、例えばビーム照射口から被加
工粉末までの相対的高さをテーブルなどの上下方向移動
により実現する。

次に本発明を実施する装置の一例を第３図ないし第５図
により説明する。本実施例の加工装置は、レーザ発振装
置９と、ビーム伝送系１０と。

加工ヘッド１１と、加工台３と、粉末供給シリンダ２と
、ＮＣ装置６とからなる。レーザ発振装置９は、レーザ
発振器と電源装置とチリングユニットとからなる。ビー
ム伝送系１０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８と、コリメート装
置１３と、ビーム伝送ダクト１４と、出力モニタ１５と
からなる。Ｈｅ−Ｎｅレーザ８はビーム伝送系ｌＯおよ
び加工へラドｌ１等に用いられる光学部品やノズルの軸
合わせ、加工位置の確認に用いられ、ＣＯ２レーザに重
畳される。出力モニタ１５は、加工に使用されるレーザ
ビームの出力をモニタするのに用いられる。加工へラド
１１は、レーザビームを加工目的に適した出力密度に集
光するビーム集光系１６と、ノズル１２とからなる。ま
た、２２は非接触温度計測装置で、レーザビーム照射被
加工部の温度を検出して検出信号をＮＣ装置６に供給す
る。

第４図に示すように、ビームのノズル１２には、モータ
１８によりＺ軸回わりに即ち加］ニヘット１１部のレー
ザビームの軸を中心として回転されるアーム１７を有し
、該アーｌ＼１７に前記粉末供給シリンダ２が取付けら
れ、その粉末供給口２ａは、常時ノズル１２による加工
台３上のビーム照射位置に向けらるように構成されてい
る。このような構造としているのは、ＭＳ６図に示すよ
うに、加工台３を往復してレーザビーム４を照射する時
、レーザビーム４とシリンダ２とが一定の向きに配設さ
ていると、折り重さねられた層１ａにレーザビーム４を
照射できなくなるからである。

また、このようなシリンダ２を回転させる構造により、
レーザビーム４に対して、粉末工の供給方向を常に最適
方向に向けることができ、常に加工台に対するレーザビ
ームの進行方向から被加工粉末が供給される。

第５図に示すように、粉末供給シリンダ２は、内部に摺
動可能にかつ粉末１上に載せて装着されるフリーピスト
ン２Ａを有し、粉末供給口２ａに設けたソレノイド等で
制御されるメカニカルシャッタ２Ｃを開放し、シリンダ
上部の空気供給口２Ｂから圧縮空気２０を供給してフリ
ーピストン２Ａを押し下げることにより、粉末が射出す
るようになっている。なお、メカニカルシャッタ２Ｃを
閉じておいて、加工前にシリンダ２の内部の粉末１を圧
縮空気２０により加圧しておくこともできる。

加工台３は、第３図に示すように、架台７上をＺ軸モー
タ５Ｚにより上下動させられるＺ軸テーブル３Ｚと、該
Ｚ軸テーブル３Ｚ上にＹ軸モータ５ＹによりＹ軸方向移
動可能に載設されたＹ軸テーブル３Ｙと、該Ｙ軸テーブ
ル３Ｙ上にＸ軸モータ５ｘによりＸ軸方向移動可能に載
設されたＸ軸テーブル３ｘとからなり、該Ｘ軸テーブル
３Ｘ上に前記粉末ｌを供給してレーザビーム４を照射す
ることにより、加熱固化し、製品１９を得るものである
。テーブル３ｘの上面は、レーザビームの照射を受ける
ことが多いので、耐熱性の高いセラミックスで覆うのが
良い。

ＮＣ装置６は、予めプログラムされたプログラムの読み
出し信号や、前記非接触温度計測装置２２の検知温度信
号により、前記プログラム読み出し信号を適宜変調また
は制御等して、各モータ５Ｘ、５Ｙ、５Ｚおよびレーザ
発振装Ｍ９等の駆動制御を行なうことにより、レーザビ
ーム４の照射位置と粉末工の供給位置とを制御すること
により、所望の形状の製品を形成させる。また、ＮＣ装
置６は、前記と同様に、シリンダ２の回転用モータ１８
やシリンダ交換制御用の自動制御装置２１に動作制御信
号を送り、前記各モータ５Ｘ。

５Ｙ、５Ｚの駆動制御信号に連動して、レーザビーム４
が供給口２ａを常に追いかけるようにモータ■８の制御
および粉末供給の制御を行なう。なお、シリンダ２は、
シリンダマガジンにある他のシリンダと自動的に交換で
きるようになっており、これによって粉末の種類や供給
口の種類を変えられるようになっている。

ここで、単にほぼ水平面上の表層に被着層を形成する加
工を行なう場合には、Ｘ、Ｙモータ５Ｘ、５Ｙおよびモ
ータ１８のみを制御して作業を行なうことが可能である
。しかし３次元形状の表層や被加工粉末の集合体の加工
を行なう場合には、レーザビームの焦点距離を一定に保
持するため、テーブルを上下動させる。また、加工位置
のＸ、Ｙ２軸制御は、上記実施例の他、（イ）レーザ発
振器の加工ヘッドそのものを水平面内で２軸移動させる
方式、（ロ）レーザ発振器の加工ヘッドが１軸、加工テ
ーブルが他の１軸を制御する方式、（ハ）レーザ発振器
の加工ヘッドと加工対象が固定で、ビーム伝送路内の反
射鏡を２軸移動させる方式もあるが１本発明は大出力が
要求される点で（イ）（ロ）の方式の採用は困難で、（
ハ）の方式は、ノズル１２およびビーム伝送系ｌＯを大
口径とする必要があるものの、高速、高精度、高範囲の
移動が実現できるが、本発明は加工位置移動の高速性も
要求されないので、廉価に構成できる実施例に示したよ
うな加工テーブルの２軸制御が有利である。なお、レー
ザビームの液加１：物による吸収はその表面の反射率に
より変化するので、加工表面での反射率が変動する可能
性がある時には反射率を測定し、反射率に応じてレーザ
ビームの強さや照射時間を変える制御を行なうこともで
きる。そしてもっと実用的には、レーザビーム照射点の
温度を前記非接触温度計測装置２２によって常に計測し
ながら、最適温度に最適時間保持できるようにビームパ
ワーやテーブル送り速度等が制御されるように構成され
るものである。さらにビームと供給された粉末とのずれ
を力バーするために、ビームを狭い範囲で光学的に振ら
せるようにすることもできる。

加工の際には、被加工粉末やその付着不純物。

被加工粉末混合粘着物の蒸気、燃焼ガスが発生して照射
レーザビームを吸収して障害となるから、例えばレーザ
ビームの周囲出口から圧縮空気を吹き出したり、加工物
の酸化を防止したい場合等には、不活性ガスを噴出して
、あるいは前記した各種の目的に応したガスを噴出する
ことにより、加工を助けるようにするものである。

第７図は本発明により得られる製品の一例であり、粉末
の種類を変化させつつ加工を行なうことにより、Ｃ合金
がへ合金内に包含され、Ａ金属にＢ合金やＤ合金を一体
に固着させたものである。

その他、粉末の供給位置とレーザビームの照射位置の制
御により、任意の形状を単品で、あるいは被加工物上に
形成された被着物として形成できる。

なお、本発明により得られた製品に対し、ＨＩＰ法によ
る二次処理を行なうことにより、製品中の気孔の減少等
を図ることができる。

（発明の効果） 本発明の加工方法によれば、粉末の供給位置とレーザビ
ームの照射位置を制御し、粉末供給直後にレーザビーム
照射を行なうことにより、特に小さい複雑な形状の部品
加工を行なう場合、型や総形工具を用いずに、除去加工
では不可能な複雑な形状を一体に作ることができる。従
って治工具を備える費用や、摩耗でエルを交換する費用
等も一切不要となる。そのため多品種少量生産に最適な
フレキシビリティが実現できる。また１本発明の方法に
よれば、粉末の材料が入手できる限り任意の組合わせと
混合割合の材料でなる製品を作ることができる。即ち、
規格や市販の材料に制限されることなく、設計者は最適
性能の材料を選んで設計することができる。また、本発
明の方法によれば、ＨＩＰ法あるいは電子ビームを用い
た加工力法のように高価な容器や面倒な脱気操作が不要
となり、設備費が安価となる上、高能率でフレキシビリ
ティ−があり、かつ危険が少ないという利点がある。ま
た、本発明の方法によれば、正味加工ができるので、特
に高価な材料を用いて加工を行なう場合に無駄がなくな
り、経済的であり、難削材の加工にも加工費が低減でき
るという利益を得る。また、本発明は他のレーザビーム
の加工装置に機能を付加することによって廉価に実現で
きる。

また、本発明の加工装置は、レーザビームを被加工物に
照射する加工ヘッドに対し、被加工粉末を被加工物ある
いは加工台に供給する供給口を有する粉末供給シリンダ
を全周にわたって旋回可能に、かつ前記供給口が前記レ
ーザビームの被照射部位に向くように取付けたので、粉
末を自由な方向に積層し加熱固化することにより、積層
構造を容易に実現させることができ、かつレーザビーム
に対して、粉末の供給方向を常に最適方向に向けて加工
を行なうことができる。さらに、粉末材料や供給形状が
変っても、常に加熱温度を応答良く非接触でＡ］測しな
がら、加熱温度、加熱時間、送り速度などを制御できる
ので、いつも最適な加工結果が得られる。レーザ加工で
問題になるところの、反射率の変化による加工条件の変
化にも容易に対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の加工方法を原理的に示す図、第２図は
本発明の方法を実施する場合のレーザビームのエネルギ
範囲を示す図、第３図は本発明の加工方法を実施する装
置の一例を示す構成図、第４図はその要部を示す斜視図
、第５図は本発明において用いる粉末供給シリンダの一
例を示す断面図、第６図は本発明装置の作用を説明する
説明図、第７図は本発明における製品の一例を示す斜視
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一種以上の材料でなる被加工粉末を材料供給口から
   加工台あるいは被加工材料上に供給し、供給された被加
   工粉末にレーザビームを照射すると同時に、レーザビー
   ム照射位置および加工台あるいは被加工材料を少なくと
   も２次元方向に相対的に位置制御することにより、被加
   工粉末を加熱固化させて所望の形状の加工物あるいは被
   加工材料上に形成された被着層を得ることを特徴とする
   レーザビームを用いた加工方法。 ２、前記被加工粉末に粘着剤となる液体を混合したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザビーム
   を用いた加工方法。 ３、レーザビームを被加工物に照射するヘッドに対し、
   被加工粉末を被加工物あるいは加工台に供給するノズル
   を有する粉末供給シリンダを全周にわたって旋回可能に
   、かつ前記ノズルが前記レーザビームの被照射部位に向
   くように取付けたことを特徴とするレーザビームを用い
   た加工装置。 ４、レーザビーム照射点の温度を非接触で計測し、常に
   所定の温度に所定時間保持できるように、ビームパワー
   やテーブル送り速度を制御できるようにしてなることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載のレーザビームを
   用いた加工装置。 ５、被加工粉末が加熱固化するときの前記粉末の酸化防
   止に、ビームノズル周囲に不活性ガスを噴出供給するか
   、加工領域全体またはその周囲を不活性雰囲気に維持し
   て加工を行なうようにしてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載のレーザビームを用いた加工装置。 ６、粉末供給シリンダを自動的に交換し、それに伴なっ
   て粉末材料およびノズル形状所望に変えられるようにし
   てなることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のレ
   ーザビームを用いた加工装置。