JPWO2016143055A1

JPWO2016143055A1 - 光加工ヘッドおよび３次元造形装置

Info

Publication number: JPWO2016143055A1
Application number: JP2015540772A
Authority: JP
Inventors: 善仁藤田; 呉屋　真之; 真之呉屋
Original assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Current assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: US20170038249A1; EP3088123A1; US9863803B2; WO2016143055A1; EP3088123A4; JP6134805B2

Abstract

本発明の目的は、加工位置から離れた位置に配置されたセンサで、微弱光を確実に集光することである。光加工ヘッドであって、加工位置に照射する光を誘導する光誘導手段を備えた。光加工ヘッドは、一端が前記光誘導手段の先端近傍に配置され、他端が光検出手段に接続され、前記加工位置からの反射光を集光して前記光検出手段に伝送する光伝送手段をさらに備えた。また、光加工ヘッドは、光伝送手段を少なくとも１つ備えたことを特徴とする。

Description

本発明は、光加工ヘッドおよび３次元造形装置に関する。

上記技術分野において、特許文献１には、加工位置から離れた位置にセンサを配置して、加工状態をモニタリングする技術が開示されている。

特許第５４１４６４５号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、加工位置から離れた位置に配置されたセンサでは、微弱光を集光することが困難であった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドは、
加工位置に照射する光を誘導する光誘導手段と、
一端が前記光誘導手段の先端近傍に配置され、他端が光検出手段に接続され、前記加工位置からの反射光を集光して前記光検出手段に伝送する少なくとも１つの光伝送手段と、
を備えたことを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置は、
上記光加工ヘッドを含むことを特徴とする。

本発明によれば、加工位置から離れた位置に配置されたセンサであっても、微弱光を確実に集光することができる。

本発明の第１実施形態に係る光加工ヘッドの構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの構成を示す側面図である。本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッドの光ファイバーの配置を示す上面図である。本発明の第３実施形態に係る光加工ヘッドの光ファイバーの部分拡大図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態として光加工ヘッド１００について、図１を用いて説明する。光加工ヘッド１００は、加工位置からの反射光を検出して造形物の加工品質や加工状態をモニタリングする装置である。

図１に示すように、光加工ヘッド１００は、光誘導部１０１と、光伝送部１０２と、光検出部１０３とを含む。

光誘導部１０１は、造形面上の加工位置１１０に図示しない光源から放射されたレーザービーム１３０などの光を誘導する。光伝送部１０２は、一端１２１が光誘導部１０１の先端近傍に配置されており、他端１２２が光検出部１０３に接続されている。光伝送部１０２は、加工位置１１０からの反射光１２０を集光して、光検出部１０３に伝送する。

本実施形態によれば、加工位置から離れた位置にセンサを配置しても、光伝送部により微弱光を集光するので、微弱光を確実に集光することができる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る光加工ヘッド２００について、図２乃至図４を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る光加工ヘッド２００の構成を説明するための側面図である。図３は、本実施形態に係る光加工ヘッド２００の光ファイバー２０２の配置を説明するための上面図である。

光加工ヘッド２００は、ノズル２０１と、光ファイバー２０２と、光検出センサ２０３とを有する。

ノズル２０１は、３次元造形物を造形するための積層材料である金属や樹脂などに対してレーザービーム２３０などの光を照射して、加工位置２１０に散布された積層材料を硬化させる。積層材料は、ノズル２０１から加工位置２１０に対して散布してもよく、また、ノズル２０１とは別の積層材料散布装置などから散布してもよい。

さらに、ノズル２０１は、噴射ガス２４０をノズル２０１の噴射口から噴射して、ヒューム２５０などの異物がノズル２０１の内部に侵入するのを抑制する。

ノズル２０１の内径は、数ｍｍ程度の大きさである。ノズル２０１の内径を大きくし過ぎると、噴射ガス２４０の噴射状態が悪くなり、ヒューム２５０の侵入を抑制するという効果を得られなくなる。

このノズル２０１の内径の値は、積層材料を積層するというプロセスの観点から見れば妥当な値であるが、加工状態や加工品質をモニタリングするという観点から見るとノズル２０１の内径は大きければ大きいほどよい。しかし、内径を大きくし過ぎると、上述したように噴射ガス２４０の噴射状態が悪くなる。

したがって、ノズル２０１の内径は、レーザービーム２３０のビーム径と、噴射ガス２４０の噴射量との関係で決定するのが好ましい。つまり、例えば、レーザービーム２３０と噴射ガス２４０とが干渉しないような内径とするのが好ましく、約３〜５ｍｍ程度が好適な値となるが、この値には限定されない。

光ファイバー２０２は、先端２２１がノズル２０１の先端付近に配置されている。したがって、光ファイバー２０２の先端２２１は、加工位置２１０からの距離が非常に近い位置に配置されることになる。これにより、光ファイバー２０２は、微弱な反射光２２０であっても確実に集光することができる。

３次元造形物の品質管理をするためや、加工プロセス中の不具合の発生を検知するためには、たとえ微弱な反射光２２０であったとしても、これを検出して評価することが望ましい。そして、最終的に安定的な加工を実現するためにも、微弱な反射光２２０を検出して評価することは有利に作用する。

そのためには、微弱な光を含むあらゆる反射光２２０を集めることが望ましく、これらの反射光２２０を集めるためには、光検出センサ２０３が加工位置２１０に近ければ近いほど有利である。

しかしながら、通常、ノズル２０１の先端と加工位置２１０との間は狭いので、光検出センサ２０３を加工位置２１０の近くに置くことは物理的に不可能である。よって、加工位置２１０と光検出センサ２０３との間を補填するために、この位置に光ファイバー２２０を配置した。これにより、微弱な反射光２２０であっても確実に捕捉することができる。

光ファイバー２０２の具体的な配置は、ノズル２０１の外周面である外壁２１１と、ノズル２０１の内周面である内壁２１２との間に設けられている。すなわち、光ファイバー２０２は、ノズル２０１の内部に組み込まれている。

光ファイバー２０２の先端２２１は、レーザービーム２３０による蒸気やヒューム２５０により汚れ、これを放置しておくと、経時変化により光ファイバー２０２が使えなくなる。

そのため、本実施形態では、光ファイバー２０２をノズル２０１の内部に組み込んだ構成として、ヒューム２５０が付着することを抑制している。そして、光ファイバー２０２は、後端２２２が光検出センサ２０３に接続されている。

光ファイバー２０２は、加工位置２１０で反射して、加工位置２１０から放射されるプラズマ光などの反射光２２０を集光する。光ファイバー２０２は、集光した反射光２２０を光ファイバー２０２の後端２２２側に接続された光検出センサ２０３まで伝送する。

また、光ファイバー２０２は、レーザービーム２３０の光軸２６０に対して所定の角度（α）傾いている。これにより、ヒューム２５０などの異物が光ファイバー２０２の内部に侵入することを抑制できる。なお、光ファイバー２０２は、光軸２６０に対して平行、つまり、光軸２６０に対する傾きが０度であってもよい。

光検出センサ２０３は、例えば、分光器などである。光検出センサ２０３は、可視光から１μｍまでの広い波長領域の光を検出できるセンサであってもよいし、これとは反対に、特定の波長の光だけを検出するセンサであってもよい。

例えば、検出対象の光が、レーザービーム２３０の反射光であれば、レーザービーム２３０と同じ１μｍ単位の波長領域の光を検出できるセンサであればよい。また、検出対象の光が、プラズマ発光による反射光であれば、７００ｎｍ〜９００ｎｍの波長領域の光を検出できるセンサであればよい。

さらに、光検出センサ２０３は、例えば、光の波長を検出して、検出した波長に基づいて、加工位置２１０の温度などを測定するセンサや、リアルタイム検出ができるセンサが望ましい。

このような光検出センサ２０３を用いることにより、温度、溶融時の状態を確認できる。積層プロセスの健全性を確認することもできる。また、様々な情報をフィードバックすることができる。これにより、レーザービーム２３０による加工中に加工品質をモニタリングすることもできる。

さらに、微弱な反射光２２０を検出できるので、これらのデータを図示しない制御装置にフィードバックすることにより、レーザービーム２３０の出力（パワー）の細かい制御が可能となる。例えば、積層材料が溶融している所（加工位置２１０）の温度を１０００〜１１００度に維持したい場合には次のような制御をする。

検出した反射光２２０の波長から、加工位置２１０の温度が９００度となっている場合には、レーザービーム２３０の出力（パワー）を上げて、加工位置２１０の温度を上昇させる制御をする。これとは反対に、加工位置２１０の温度が１１００度以上となっている場合には、レーザービーム２３０の出力（パワー）を低下させて、加工位置２１０の温度を下降させる制御をする。

また、光検出センサ２０３と光ファイバー２０２の後端２２２との間に、集光レンズなどの光学系をさらに設けてもよい。これにより、微弱な反射光２２０であっても、この追加の光学系によって、微弱光を増幅することができるので、光検出センサ２０３がより確実に検出することができる。

図３は、本実施形態に係る光加工ヘッド２００の光ファイバー２０２の配置を説明するための上面図である。図３（ａ）は、図２で説明したように、光ファイバー２０２がノズル２０１の外壁２１１と内壁２１２との間に組み込まれた構成を示している。これとは反対に、図３（ｂ）に示したように、光ファイバー２０２が、ノズル２０１に組み込まれずに、ノズル２０１の外周面である外壁２１１に取り付けられてもよい。

例えば、図示したように、ノズル２０１の内壁２１２または外壁２１１の全周に渡って、光ファイバー２０２を設ければ、指向性を有する光も検出することができる。また、光ファイバー２０２の数は特に限定されない。

本実施形態によれば、加工位置２１０から離れた位置に光検出センサ２０３を配置しても、微弱光を確実に集光することができる。また、ノズル２０１の全周を囲むように光ファイバー２０２を配置したので、指向性のある反射光２２０であっても確実に検出することができる。したがって、検出データの精度と信頼性を向上させることができる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る光加工ヘッドの光ファイバーについて、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る光加工ヘッド２００の光ファイバー４００の部分拡大図である。光ファイバー４００は、図２で示した光ファイバー２０２の先端部分と対応する。本実施形態に係る光ファイバー４００は、上記第２実施形態と比べると、保護ガラスおよび集光ガラスを有する点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を伏してその詳しい説明を省略する。

図示したように、光ファイバー４００を、光軸２６０に対して所定の角度（α）傾けることにより、ヒューム２５０などの異物が光ファイバー２０２の内部に侵入することを抑制している。

光ファイバー４００の先端２２１には、保護ガラス４０１が設けられている。例えば、レーザービーム２３０の出力（パワー）が大きく、ヒューム２５０や水蒸気などの異物が大量に発生した場合に、このような構成では光ファイバー４００の内部への異物侵入の抑制効果が十分ではなくなる。このような場合に、保護ガラス４０１を設けておくと、異物侵入を効果的に抑制することができる。

このように保護ガラス４０１を設けることにより、保護ガラス４０１がプロテクターの役割を果たし、汚れの付着や異物の侵入などを防止できる。

さらに、光ファイバー４００に集光用のマイクロレンズ４０２を設けて、光ファイバー４００の集光性を高めることができる。これにより、さらに弱い微弱光であっても確実に検出することができる。

なお、図示していないが、本実施形態に係る光加工ヘッド２００は、３Ｄプリンタなどの３次元造形装置に用いることもできる。

本実施形態によれば、光ファイバーに保護ガラスを設けたので、ヒューム２５０などの異物が光ファイバー４００の内部に侵入することを防止できる。さらに、光ファイバー４００に汚れが付着することを防止できる。また、集光レンズを設けたので、微弱光を確実に集光することができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドは、
加工位置に照射する光を誘導する光誘導手段と、
一端が前記光誘導手段の先端近傍に配置され、他端が光検出手段に接続され、前記加工位置からの反射光を集光して前記光検出手段に伝送する複数の光ファイバーと、
を備え、
前記光ファイバーは、前記光誘導手段を包囲するように配置されていることを特徴とする。

Claims

加工位置に照射する光を誘導する光誘導手段と、
一端が前記光誘導手段の先端近傍に配置され、他端が光検出手段に接続され、前記加工位置からの反射光を集光して前記光検出手段に伝送する少なくとも１つの光伝送手段と、
を備えたことを特徴とする光加工ヘッド。
前記光伝送手段は、光軸に対して所定の角度傾いていることを特徴とする請求項１に記載の光加工ヘッド。
前記光伝送手段は、前記光誘導手段の外周面と内周面との間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光加工ヘッド。
前記光伝送手段は、前記光誘導手段を包囲するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
前記光伝送手段は、前記一端に保護ガラスを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
前記光伝送手段は、前記一端に集光レンズを設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
前記光検出手段は、分光器であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
前記光伝送手段は、光ファイバーであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光加工ヘッドを含むことを特徴とする３次元造形装置。