WO2015141036A1 - ノズルおよび積層造形装置 - Google Patents

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WO2015141036A1
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powder
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laser beam
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下山　禎朗
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株式会社東芝
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a nozzle and an additive manufacturing apparatus.
  • the lamination modeling apparatus which forms a lamination-molded article is known.
  • the lamination molding apparatus melts the powder by supplying powder of the material from the nozzle and emitting laser light to form a layer of the material, and stacks the layers to form a laminate.
  • the nozzle of the additive manufacturing apparatus of the embodiment includes a body.
  • the body is provided with an opening from which laser light is emitted and powder of material is discharged.
  • FIG. 1 is a view showing an example of a schematic configuration of the layered manufacturing apparatus of the embodiment.
  • FIG. 2 is explanatory drawing in which an example of the procedure of the modeling process (manufacturing method) by the lamination-modeling apparatus of embodiment was shown.
  • Drawing 3 is a sectional view of the tip part of an example of the nozzle of an embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the example nozzle of the embodiment at the IV-IV position of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of an example of the nozzle according to the embodiment at the VV position in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view at the same position as the position VI-VI of FIG. 3 of an example of the nozzle of the modification.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view at the same position as the position VI-VI in FIG. 3 of an example of another modified nozzle.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view at the same position as the VV position of FIG. 3 of an example of another modified nozzle.
  • the layered modeling apparatus 1 includes a processing tank 11, a stage 12, a moving device 13, a nozzle device 14, an optical device 15, a measuring device 16, a control device 17 and the like.
  • the layered manufacturing apparatus 1 models the layered molded article 100 having a predetermined shape by layering the material 121 supplied by the nozzle device 14 on the target object 110 disposed on the stage 12.
  • the object 110 is an object to which the material 121 is supplied by the nozzle device 14 and includes a base 110a and a layer 110b. A plurality of layers 110b are stacked on the top surface of the base 110a.
  • the material 121 is a powdered metal material, a resin material, or the like. One or more materials 121 may be used for shaping.
  • a main chamber 21 and a sub chamber 22 are provided in the processing tank 11.
  • the sub chamber 22 is provided adjacent to the main chamber 21.
  • a door 23 is provided between the main chamber 21 and the sub chamber 22. When the door 23 is opened, the main chamber 21 and the auxiliary chamber 22 communicate with each other, and when the door 23 is closed, the main chamber 21 becomes airtight.
  • the main chamber 21 is provided with an air inlet 21a and an air outlet 21b.
  • an inert gas such as nitrogen or argon is supplied into the main chamber 21 through the air supply port 21a.
  • the exhaust device By the operation of the exhaust device (not shown), the gas in the main chamber 21 is discharged from the main chamber 21 via the exhaust port 21 b.
  • a transfer device (not shown) is provided in the main chamber 21 .
  • a transfer device 24 is provided from the main chamber 21 to the sub chamber 22.
  • the transfer device delivers the layered object 100 processed in the main chamber 21 to the transfer device 24.
  • the transfer device 24 transfers the layered object 100 transferred from the transfer device into the sub chamber 22. That is, the laminate-molded article 100 processed in the main chamber 21 is accommodated in the sub-chamber 22. After the layered object 100 is accommodated in the sub chamber 22, the door 23 is closed, and the sub chamber 22 and the main chamber 21 are separated.
  • a stage 12 In the main chamber 21, a stage 12, a moving device 13, a part of the nozzle device 14, a measuring device 16 and the like are provided.
  • Stage 12 supports object 110.
  • the moving device 13 (moving mechanism) can move the stage 12 in three axial directions orthogonal to each other.
  • the nozzle device 14 supplies the material 121 to the object 110 positioned on the stage 12. Further, the nozzle 33 of the nozzle device 14 irradiates the target object 110 positioned on the stage 12 with the laser beam 200.
  • the nozzle device 14 can supply the plurality of materials 121 in parallel, and can selectively supply one of the plurality of materials 121. Further, the nozzle 33 irradiates the laser light 200 in parallel with the supply of the material 121.
  • the laser beam 200 is an example of an energy ray. Note that energy rays other than laser light may be used.
  • the energy beam may be any material that can melt the material, such as a laser beam, and may be an electron beam or an electromagnetic wave in a microwave to ultraviolet region.
  • the nozzle device 14 includes a supply device 31, a supply device 31A, a discharge device 32, a nozzle 33, a supply pipe 34, and the like.
  • the material 121 is fed from the feeding device 31 to the nozzle 33 through the feeding pipe 34. Further, the gas is sent from the supply device 31A to the nozzle 33 through the supply pipe 34A. Further, the material 121 is sent from the nozzle 33 to the discharge device 32 through the discharge pipe 35.
  • the supply device 31 includes a tank 31a and a supply unit 31b.
  • the material 121 is accommodated in the tank 31a.
  • the supply unit 31 b supplies a predetermined amount of the material 121 of the tank 31 a.
  • the supply device 31 supplies a carrier gas (gas) containing the powdery material 121.
  • the carrier gas is, for example, an inert gas such as nitrogen or argon.
  • the supply device 31A includes a supply unit 31b.
  • the supply device 31A supplies the same kind of gas as the supply device 31 supplies.
  • the discharge device 32 includes a classification device 32a, a discharge unit 32b, and tanks 32c and 32d.
  • the discharge unit 32 b sucks in gas from the nozzle 33.
  • the classification device 32a separates the material 121 and the fumes.
  • the material 121 is accommodated in the tank 32c, and the fumes 124 are accommodated in the tank 32d.
  • the discharge part 32b is, for example, a pump.
  • the optical device 15 includes a light source 41 and an optical system 42.
  • the light source 41 has an oscillating element (not shown), and emits the laser beam 200 by oscillation of the oscillating element.
  • the light source 41 can change the power density of the emitted laser beam.
  • the light source 41 is connected to the optical system 42 via a cable 210.
  • the laser beam 200 emitted from the light source 41 passes through the optical system 42 and enters the nozzle 33.
  • the nozzle 33 irradiates the laser beam 200 onto the object 110 or the material 121 ejected toward the object 110.
  • the optical system 42 includes a first lens 51, a second lens 52, a third lens 53, a fourth lens 54, a galvano scanner 55, and the like.
  • the first lens 51, the second lens 52, the third lens 53, and the fourth lens 54 are fixed.
  • the optical system 42 is a direction (for example, an orthogonal direction) in which the first lens 51, the second lens 52, the third lens 53, and the fourth lens 54 cross the two axial directions, specifically, the optical path.
  • a movable adjustment device is a direction (for example, an orthogonal direction) in which the first lens 51, the second lens 52, the third lens 53, and the fourth lens 54 cross the two axial directions, specifically, the optical path.
  • a movable adjustment device for example, an orthogonal direction
  • the first lens 51 converts the laser beam 200 incident through the cable 210 into parallel light.
  • the converted laser beam 200 enters the galvano scanner 55.
  • the second lens 52 converges the laser beam 200 emitted from the galvano scanner 55.
  • the laser beam 200 converged by the second lens 52 passes through the cable 210 and reaches the nozzle 33.
  • the third lens 53 converges the laser beam 200 emitted from the galvano scanner 55.
  • the laser beam 200 converged by the third lens 53 is irradiated onto the object 110.
  • the fourth lens 54 converges the laser beam 200 emitted from the galvano scanner 55.
  • the laser beam 200 converged by the fourth lens 54 is irradiated onto the object 110.
  • the galvano scanner 55 divides the parallel light converted by the first lens 51 into light entering each of the second lens 52, the third lens 53, and the fourth lens 54.
  • the galvano scanner 55 includes a first galvano mirror 57, a second galvano mirror 58, and a third galvano mirror 59.
  • Each of the galvano mirrors 57, 58, 59 can split the light and change the tilt angle (emission angle).
  • the first galvano mirror 57 allows a part of the laser beam 200 that has passed through the first lens 51 to pass, and emits the passed laser beam 200 to the second galvano mirror 58.
  • the first galvano mirror 57 reflects the other part of the laser beam 200 and emits the reflected laser beam 200 to the fourth lens 54.
  • the first galvano mirror 57 changes the irradiation position of the laser beam 200 that has passed through the fourth lens 54 according to the tilt angle.
  • the second galvano mirror 58 allows a part of the laser beam 200 that has passed through the first galvano mirror 57 to pass, and emits the passed laser beam 200 to the third galvano mirror 59.
  • the second galvano mirror 58 reflects the other part of the laser beam 200 and emits the reflected laser beam 200 to the third lens 53.
  • the second galvanometer mirror 58 changes the irradiation position of the laser beam 200 that has passed through the third lens 53 according to the tilt angle.
  • the third galvanometer mirror 59 emits a part of the laser beam 200 that has passed through the second galvanometer mirror 58 to the second lens 52.
  • the first galvano mirror 57, the second galvano mirror 58, and the third lens 53 constitute a melting device 45.
  • the melting device 45 heats the material 121 (123) supplied from the nozzle 33 to the object 110 by the irradiation of the laser beam 200, thereby forming the layer 110b and performing the annealing process.
  • a removal device 46 for the material 121 is configured.
  • the removal device 46 removes unnecessary portions formed on the base 110 a or in the layer 110 b by the irradiation of the laser beam 200.
  • the removing device 46 has a predetermined shape of the laminate-molded article 100, such as an unnecessary part generated due to the scattering of the material 121 when the material 121 is supplied by the nozzle 33, an unnecessary part generated when forming the layer 110b, etc. Remove sites different from The removal device 46 emits laser light 200 having a power density sufficient to remove the unnecessary portion.
  • the measuring device 16 measures the shape of the solidified layer 110 b and the shape of the layered laminate 100 formed.
  • the measuring device 16 transmits information of the measured shape to the control device 17.
  • the measuring device 16 includes, for example, a camera 61 and an image processing device 62.
  • the image processing device 62 performs image processing based on the information measured by the camera 61.
  • the measuring device 16 measures the shapes of the layer 110 b and the laminate-molded article 100 by, for example, an interference method or a light cutting method.
  • the moving device 71 (moving mechanism) can move the nozzle 33 in three axial directions orthogonal to each other.
  • the control device 17 electrically connects the transfer device 13, the transfer device 24, the supply device 31, the supply device 31A, the discharge device 32, the light source 41, the galvano scanner 55, the image processing device 62, and the transfer device 71 via the signal line 220. Connected.
  • the controller 17 controls the moving device 13 to move the stage 12 in three axial directions.
  • the control device 17 controls the transfer device 24 to transfer the shaped laminated three-dimensional object 100 to the sub chamber 22.
  • the control device 17 controls the supply device 31 to adjust the presence / absence and the supply amount of the material 121.
  • the control device 17 controls the discharge device 32 to adjust the presence or absence and discharge amount of the powder of the material 121 and the fumes.
  • the control device 17 controls the light source 41 to adjust the power density of the laser beam 200 emitted from the light source 41.
  • the control device 17 controls the galvano scanner 55 to adjust the tilt angles of the first galvano mirror 57, the second galvano mirror 58, and the third galvano mirror 59. Further, the control device 17 controls the position of the nozzle 33 by controlling the moving device 71.
  • the control device 17 includes a storage unit 17a.
  • the storage unit 17a stores data indicating the shape (reference shape) of the layered object 100 to be formed.
  • the storage unit 17a also stores data indicating the heights of the nozzle 33 and the stage 12 for each of three-dimensional processing positions (each point).
  • the control device 17 may have a function of selectively supplying a plurality of different materials 121 from the nozzle 33 and adjusting (changing) the ratio of the plurality of materials 121.
  • the control device 17 controls the supply device 31 and the like so that the layer 110b of the material 121 is formed at the ratio based on the data indicating the ratio of each material 121 stored in the storage unit 17a.
  • this function it is possible to form a graded material (gradient functional material) in which the ratio of the plurality of materials 121 changes (decreases or gradually increases) depending on the position (place) of the layered structure 100.
  • the control device 17 has the ratio of the material 121 set (stored) corresponding to each position of the three-dimensional coordinates of the layered object 100,
  • the control device 31 By controlling the supply device 31, it is possible to model the laminate-molded article 100 as a gradient material (gradient functional material) in which the ratio of the material 121 changes in any three-dimensional direction.
  • the amount of change (rate of change) of the ratio of the material 121 per unit length can also be set variously.
  • the control device 17 has a function of determining the shape of the material 121. For example, the control device 17 compares the shape of the layer 110b acquired by the measuring device 16 or the shape of the laminate-molded article 100 with the reference shape stored in the storage unit 17a to determine whether a region having a predetermined shape is not formed. Decide whether or not.
  • control device 17 has a function of trimming the material 121 into a predetermined shape by removing an unnecessary portion which is determined to be a portion which is not a predetermined shape by the determination of the shape of the material 121. For example, when the material 121 is scattered and attached to a portion different from the predetermined shape, the control device 17 firstly transmits the laser beam 200 emitted from the fourth lens 54 via the first galvano mirror 57. The light source 41 is controlled to have a power density capable of evaporating the material 121. Next, the control device 17 controls the first galvano mirror 57 to irradiate the laser light 200 to the portion to evaporate the material 121.
  • the manufacturing method of the laminate-molded article 100 by the laminate-molding apparatus 1 will be described.
  • the control device 17 controls the supply devices 31 and 31A and the like so that the material 121 is supplied from the nozzle 33 in a predetermined range, and the light source 41 and the galvano scanner 55 so that the supplied material 121 is melted by the laser light 200. Control etc.
  • a predetermined amount of the melted material 123 is supplied in the range in which the layer 110 b on the base 110 a is formed.
  • the material 123 When the material 123 is jetted to the base 110a or the layer 110b, the material 123 deforms into a collection of the material 123 such as a layer or a thin film.
  • the material 123 may be laminated in a granular form into a granular assembly by being cooled by a gas (gas) carrying the material 121 or by heat transfer to the assembly of the material 121.
  • the control device 17 controls the light source 41, the melting device 45, and the like so that the laser light 200 is irradiated to the collection of the material 123 on the base 110a. As a result, the assembly of the material 123 is remelted into the layer 110b.
  • the controller 17 controls the measuring device 16 to measure the material 123 on the base 110a on which the annealing process has been performed.
  • the control device 17 compares the shape of the layer 110 b acquired by the measuring device 16 or the layered object 100 with the reference shape stored in the storage unit 17 a.
  • trimming is performed.
  • the control device 17 evaporates the unnecessary material 123, for example, when it is found that the material 123 on the base 110a adheres to a position different from the predetermined shape by the shape measurement and comparison with the reference shape. Control the light source 41, the removing device 46, and the like. On the other hand, the control device 17 does not perform trimming when it is found that the layer 110 b has a predetermined shape by the shape measurement and comparison with the reference shape.
  • the layered manufacturing apparatus 1 forms a new layer 110b on the layer 110b.
  • the additive manufacturing apparatus 1 forms the additive product 100 by repeatedly stacking the layers 110 b.
  • the X direction is the horizontal direction in FIG. 3
  • the Y direction is the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 3
  • the Z direction is the vertical direction in FIG.
  • the top surfaces of the stage 12, the laminate-molded article 100, the object 110, the base 110a, and the layer 110b extend substantially along the planes of the X direction and the Y direction.
  • the nozzle 33 and the stage 12 move relative to each other, and the material along the plane in the X direction and the Y direction 121 layers 110 b are formed. Then, the layers 110b of the material 121 are sequentially stacked in the Z direction, whereby the three-dimensional layered object 100 is formed.
  • the X direction and the Y direction may be referred to as a horizontal direction, a horizontal direction, or the like.
  • the Z direction may be referred to as the vertical direction, the vertical direction, the height direction, the thickness direction, the vertical direction or the like.
  • the nozzle 33 comprises a body 330.
  • the body 330 has an elongated shape and is made of, for example, a highly heat resistant material such as boron nitride (ceramic material).
  • the longitudinal direction (axial direction) of the body 330 is, for example, along the Z direction.
  • the lateral direction (width direction) of the body 330 is, for example, along the X direction and the Y direction.
  • the body 330 has a cylindrical appearance.
  • the body 330 has a lower surface 331, a side surface 332, and the like as an outer surface (surface).
  • the lower surface 331 is located at the longitudinal end (lower end) of the body 330, and may also be referred to as an end surface.
  • the lower surface 331 faces the stage 12, the layered object 100, the object 110, and the like.
  • the lower surface 331 is formed flat.
  • the side surface 332 is located at the lateral end of the body 330 and may also be referred to as a circumferential surface.
  • the side surface 332 is formed in a cylindrical surface shape.
  • Three openings 333 to 335 are opened in the lower surface 331 of the body 330.
  • the laser beam 200 is emitted from the opening 333 located at the center among the openings 333 to 335, and the powder of the material 121 is discharged.
  • the open end 333 a of the opening 333 is circular.
  • the opening end 333 a of the opening 333 is larger than the diameter of the light path (light flux) of the laser beam 200.
  • the powder of the material 121 can be supplied to the processing region along and around the light flux of the laser beam 200.
  • a chamber 336 (recess) is formed on the opening end 333 a side (tip end side) of the opening 333. Chamber 336 is part of opening 333.
  • the chamber 336 is formed by a bottom surface 336a and a side surface 336b (circumferential surface) as an inner surface (surface).
  • the bottom surface 336a is, for example, circular and planar.
  • the bottom surface 336a may have a conical surface shape protruding toward the laser irradiation direction side (the lower side in FIG. 3).
  • the side surface 336 b is a mortar-shaped surface. The diameter of the side surface 336b gradually decreases toward the laser irradiation direction (downward in FIG. 3).
  • the side surface 336 b is a concave curved surface that is inclined so that the inner diameter decreases toward the laser irradiation direction.
  • An opening 337 is opened at the center of the bottom 336a.
  • the opening 337 extends in the longitudinal direction of the body 330.
  • a cross section along the short direction of the opening 337, that is, a cross section orthogonal to the longitudinal direction is circular.
  • the diameter of the opening 337 may be formed to gradually decrease toward the distal end.
  • the laser beam 200 is introduced into the opening 337 via the cable 210 and the like.
  • the opening 337 is a passage of the laser beam 200, and is an example of an emission port.
  • the body 330 is an example of the emitting unit.
  • An opening 338 is formed around the opening 337.
  • the opening 338 extends along the longitudinal direction of the body 330.
  • the opening 338 is in contact with the side surface 336 b of the chamber 336.
  • the cross section along the short direction of the opening 338 is annular.
  • the cross section of the opening 338 may be formed in an arc shape and a slit shape.
  • the opening 338 is connected to the supply device 31 via the supply pipe 34 and the like.
  • the opening 338 is a passage of powder of the material 121.
  • the opening 338 is an example of a discharge port, an example of a material supply port, and an example of an air supply port.
  • the body 330 is an example of the discharge unit, an example of the material supply unit, and an example of the air supply unit.
  • a recess 339 is opened in the lower surface 331.
  • the recess 339 is opened in an annular shape surrounding the chamber 336 at a distance, and is recessed on the opposite side to the laser irradiation direction.
  • the open end 339a is circular.
  • the openings 334 and 335 are opened at the bottom (upper side in FIG. 3) of the recess 339.
  • the recess 339 is formed by circumferential surfaces 339 b, 339 c, and 339 d as inner surfaces (surfaces).
  • the circumferential surface 339 b is a conical surface (a tapered surface). The diameter of the circumferential surface 339b gradually increases toward the side (upper side in FIG.
  • the circumferential surface 339 b is a convex curved surface inclined with respect to the longitudinal direction.
  • the circumferential surface 339 c is the inner surface of a cylinder.
  • the circumferential surface 339 c is continuous with the surface of the opening 334.
  • the circumferential surface 339 d is a mortar-like surface. The diameter of the circumferential surface 339d gradually increases toward the distal end side (the lower side in FIG. 3).
  • the circumferential surface 339 d is a concave curved surface inclined with respect to the longitudinal direction.
  • the opening 334 is open on the back side of the circumferential surfaces 339 b and 339 c, and the opening 335 is opened on the circumferential surface 339 d.
  • the opening 334 extends in the longitudinal direction of the body 330. As shown in FIG. 5, the cross section along the short direction of the opening 334 is annular. Further, as shown in FIG. 4, the opening 334 is opened in contact with the circumferential surface 339 c.
  • the opening 334 is connected to the exhaust device 32 via the discharge pipe 35 and the like.
  • the opening 334 is used as a passage for discharging (recovering) gas, the material 121, fumes (carbonized material) and the like.
  • the opening 334 is an example of an exhaust port.
  • the body 330 is an example of an exhaust unit.
  • An opening 335 is formed around the opening 334.
  • the opening 335 extends in the longitudinal direction of the body 330. As shown in FIG. 5, the cross section along the short direction of the opening 335 is annular. The tip end portion of the opening 335 is bent obliquely toward the center side (central axis side, radially inner side) of the body 330.
  • the opening 335 is connected to the supply device 31A through the supply pipe 34A and the like.
  • the opening 335 is a passage for supplying a gas to the processing region.
  • the opening 335 is an example of the air supply port.
  • the body 330 is an example of the air supply unit.
  • a portion of the powder of the material 121 is a laser in the opening 333 (in the chamber 336).
  • the light 200 is irradiated. That is, since (at least a portion of) the powder of the material 121 is preheated in the chamber 336, the material 121 tends to soften or melt at an earlier stage. Therefore, for example, as compared with the case where powder is discharged from the nozzle 33 as it is, it is difficult to scatter, so there are cases where the material 121 can be supplied to the molten pool P more reliably or more efficiently.
  • the laser beam 200 passes through the central portion of the chamber 336, and the opening 338 for discharging the powder of the material 121 is in contact with the side surface 336b outside the central portion of the chamber 336. Therefore, the gas containing the powder of the material 121 is discharged to a position away from the laser beam 200 and flows along the side surface 336 b, so the material 121 is softened or melted more than necessary in the chamber 336. You can control the
  • the body 330 of the nozzle 33 is provided with the opening 333 from which the laser light 200 is emitted and the powder of the material 121 is discharged. Therefore, at least a part of the powder of the material 121 is irradiated with the laser light 200 at an earlier stage than when the powder of the material 121 is discharged from the nozzle 33 and then melted by being irradiated with the laser light 200. It is softened or melted. Therefore, for example, the material 121 may be supplied to the molten pool P more reliably or more efficiently.
  • the powder of material is directed to the laser light focusing position.
  • a configuration in which light is obliquely ejected from the periphery of the light may be employed.
  • the nozzle is moved upward or downward with respect to the object in order to expand the light diameter (irradiation area, melting area) of the laser light on the object, it is directed to the light collecting position
  • the injection position of the material deviates up and down from the melting area. Thus, it becomes difficult for the material to reach the melting region (melting pool P, see FIG. 3).
  • the powder of the material 121 is melted by the laser beam 200 at a relatively early stage, and falls into the molten pool P together with the laser beam 200. Therefore, even when the distance between the nozzle and the object changes, the powder of the material 121 is easily suppressed from being supplied to a position deviated from the processing region. Therefore, it is easy to change the light diameter (size, size) of the laser beam 200 by moving the nozzle 33 (body 330), the stage 12 and the like up and down.
  • the light diameter of the laser beam 200 is set to be smaller for a portion that requires more accurate formation, and the light diameter of the laser beam 200 is more about for a portion that requires more rapid formation. It is set large.
  • the control device 17 refers to the storage unit 17a to acquire data indicating the height of the nozzle 33 corresponding to the position, and the controller 33 detects the height of the nozzle 33 according to the data. Set the height.
  • the control device 17 controls the respective portions to irradiate the laser light 200 while supplying the powder of the material 121 to form the layer 101 b.
  • the step of forming (forming the layer 110 b) with the height of the nozzle 33, that is, the distance between the nozzle 33 (body 330) and the object 110 being the first distance, is performed; And forming an object at a second distance different from the first distance.
  • the opening end 333 a (opening end) of the opening 333 includes the chamber 336, and the opening 337 (emission port) from which the laser beam 200 is emitted in the chamber 336 and the powder of the material 121
  • An opening 338 (discharge port) through which the body is discharged is opened. Therefore, as the chamber 336, a space in which part of the powder of the material 121 is preheated by the laser light 200 can be formed.
  • the specifications of the chamber 336 for example, the shape and size of the chamber 336, the arrangement of the openings 337 and 338, and the size of the opening end 333a with respect to the optical path diameter of the laser beam 200 It is easy to obtain a more suitable softened or molten state.
  • the opening 338 is an annular passage. Therefore, for example, the variation in the distribution of the powder of the material 121 is likely to be reduced.
  • the opening 338 is opened in contact with the side surface 336 b (circumferential surface) of the chamber 336. Therefore, for example, the powder of the material 121 is likely to flow along the side surface 336b, and a situation in which preheating of the powder of the material 121 by the laser light 200 is too early is unlikely to occur.
  • an opening 335 (gas supply port) is provided around the opening 333, and an opening 334 (exhaust port) is provided between the opening 333 and the opening 335.
  • the gas supplied from the opening 335 can be used as a shield gas. Therefore, for example, the powder of the material 121 not used for shaping or the fume generated by shaping tends to be suppressed from being diffused to the surroundings.
  • the powder and the fumes of the material 121 can be more efficiently discharged from the opening 334 inside the shield by the air flow from the opening 335.
  • the shield gas can suppress oxidation during sintering. According to the present embodiment, the shield gas can be used not only to suppress oxidation during sintering but also to suppress scattering of powder and to improve discharge efficiency of unnecessary powder.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a body 330 of a nozzle 33 of a modification at a position equivalent to the line VI-VI in FIG.
  • a plurality of spiral (convoluted) grooves 336c are provided on the side surface 336b (circumferential surface, inner peripheral surface, inner surface) of the chamber 336 (opening 333).
  • the groove 336c can be provided, for example, from the open end 333a to the bottom 336a.
  • the flow of the gas containing the powder of the material 121 discharged from the opening 338 (discharge port) becomes a swirling flow (vortex) along the groove 336 c by the groove 336 c.
  • the groove 336 c (guide portion) may be linearly formed.
  • the guide portion may be a helically provided protrusion (rib, wall, or ridge).
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a body 330 of a nozzle 33 of another modified example at a position equivalent to the line VV of FIG.
  • a plurality of (six in the example of FIG. 8) openings 338 are provided in the body 330.
  • a plurality of openings 338 are arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction of the body 330.

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Abstract

　実施形態の積層造形装置のノズルは、ボディを備える。ボディには、レーザ光が出射されるとともに材料の粉体が吐出される開口部が設けられる。

Description

ノズルおよび積層造形装置
　本発明の実施形態は、ノズルおよび積層造形装置に関する。
　従来、積層造形物を形成する積層造形装置が知られている。積層造形装置は、ノズルから材料の粉体を供給するとともにレーザ光を出射することにより粉体を溶融させて材料の層を形成し、当該層を積み重ねることにより積層造形物を形成する。
特開２００９－１９００号公報
　この種の装置では、例えば、より確実にあるいはより効率よく材料を供給することができれば、有意義である。
　実施形態の積層造形装置のノズルは、ボディを備える。ボディには、レーザ光が出射されるとともに材料の粉体が吐出される開口部が設けられる。
図１は、実施形態の積層造形装置の概略構成の一例が示された図である。 図２は、実施形態の積層造形装置による造形処理（製造方法）の手順の一例が示された説明図である。 図３は、実施形態のノズルの一例の先端部の断面図である。 図４は、実施形態のノズルの一例の図３のIV－IV位置での断面図である。 図５は、実施形態のノズルの一例の図３のV－V位置での断面図である。 図６は、変形例のノズルの一例の図３のVI－VI位置と同等位置での断面図である。 図７は、別の変形例のノズルの一例の図３のVI－VI位置と同等位置での断面図である。 図８は、別の変形例のノズルの一例の図３のV－V位置と同等位置での断面図である。
　以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成や制御（技術的特徴）、ならびに当該構成や制御によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。
　また、以下に開示される実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれる。以下では、同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される。
　図１に示されるように、積層造形装置１は、処理槽１１や、ステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４、光学装置１５、計測装置１６、制御装置１７等を備えている。
　積層造形装置１は、ステージ１２上に配置された対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料１２１を層状に積み重ねることにより、所定の形状の積層造形物１００を造形する。
　対象物１１０は、ノズル装置１４によって材料１２１が供給される対象であって、ベース１１０ａおよび層１１０ｂを含む。複数の層１１０ｂがベース１１０ａの上面に積層される。材料１２１は、粉末状の金属材料や樹脂材料等である。造形には、一つ以上の材料１２１が用いられうる。
　処理槽１１には、主室２１と副室２２とが設けられている。副室２２は、主室２１と隣接して設けられている。主室２１と副室２２との間には扉部２３が設けられている。扉部２３が開かれた場合、主室２１と副室２２とが連通され、扉部２３が閉じられた場合、主室２１が気密状態になる。
　主室２１には、給気口２１ａおよび排気口２１ｂが設けられている。給気装置（図示されず）の動作により、主室２１内に給気口２１ａを介して窒素やアルゴン等の不活性ガスが供給される。排気装置（図示されず）の動作により、主室２１から排気口２１ｂを介して主室２１内のガスが排出される。
　また、主室２１内には、移送装置（図示されず）が設けられている。また、主室２１から副室２２にかけて、搬送装置２４が設けられている。移送装置は、主室２１で処理された積層造形物１００を、搬送装置２４に渡す。搬送装置２４は、移送装置から渡された積層造形物１００を副室２２内に搬送する。すなわち、副室２２には、主室２１で処理された積層造形物１００が収容される。積層造形物１００が副室２２に収容された後、扉部２３が閉じられ、副室２２と主室２１とが隔絶される。
　主室２１内には、ステージ１２や、移動装置１３、ノズル装置１４の一部、計測装置１６等が設けられている。
　ステージ１２は、対象物１１０を支持する。移動装置１３（移動機構）は、ステージ１２を、互いに直交する３軸方向に移動することができる。
　ノズル装置１４は、ステージ１２上に位置された対象物１１０に材料１２１を供給する。また、ノズル装置１４のノズル３３は、ステージ１２上に位置された対象物１１０にレーザ光２００を照射する。ノズル装置１４は、複数の材料１２１を並行して供給することができるし、複数の材料１２１のうち一つを選択的に供給することができる。また、ノズル３３は、材料１２１の供給と並行してレーザ光２００を照射する。レーザ光２００は、エネルギ線の一例である。なお、レーザ光以外のエネルギ線を用いてもよい。エネルギ線は、レーザ光のように材料を溶融できるものであればよく、電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などであってもよい。
　ノズル装置１４は、供給装置３１や、供給装置３１Ａ、排出装置３２、ノズル３３、供給管３４等を有している。材料１２１は、供給装置３１から供給管３４を経てノズル３３へ送られる。また、気体は、供給装置３１Ａから、供給管３４Ａを経てノズル３３へ送られる。また、材料１２１は、ノズル３３から排出管３５を経て排出装置３２へ送られる。
　供給装置３１は、タンク３１ａと、供給部３１ｂと、を含む。タンク３１ａには、材料１２１が収容される。供給部３１ｂは、タンク３１ａの材料１２１を所定量供給する。供給装置３１は、粉状の材料１２１が含まれたキャリアガス（気体）を供給する。キャリアガスは、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスである。また、供給装置３１Ａは、供給部３１ｂを含む。供給装置３１Ａは、供給装置３１が供給するのと同種のガス（気体）を供給する。
　排出装置３２は、分級装置３２ａと、排出部３２ｂと、タンク３２ｃ，３２ｄと、を含む。排出部３２ｂは、ノズル３３から気体を吸入する。分級装置３２ａは、材料１２１とヒュームとを分離する。タンク３２ｃには、材料１２１が収容され、タンク３２ｄにはヒューム１２４が収容される。これにより、処理領域から、気体とともに、造形に用いられなかった材料１２１の粉体や、造形によって生成されたヒューム（金属ヒューム）、塵芥等が、排出される。排出部３２ｂは、例えば、ポンプである。
　また、図１に示されるように、光学装置１５は、光源４１と、光学系４２と、を備えている。光源４１は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光２００を出射する。光源４１は、出射するレーザ光のパワー密度を変更することができる。
　光源４１は、ケーブル２１０を介して光学系４２に接続されている。光源４１から出射されたレーザ光２００は、光学系４２を経てノズル３３に入る。ノズル３３は、レーザ光２００を、対象物１１０や、対象物１１０に向けて噴射された材料１２１に照射する。
　光学系４２は、具体的には、第１レンズ５１や、第２レンズ５２、第３レンズ５３、第４レンズ５４、ガルバノスキャナ５５等を、備えている。第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４は、固定されている。なお、光学系４２は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４を、２軸方向、具体的には光路に対して交叉する方向（例えば、直交方向）に移動可能な調整装置を備えてもよい。
　第１レンズ５１は、ケーブル２１０を介して入射されたレーザ光２００を平行光に変換する。変換されたレーザ光２００は、ガルバノスキャナ５５に入射する。
　第２レンズ５２は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第２レンズ５２で収束されたレーザ光２００は、ケーブル２１０を経てノズル３３に至る。
　第３レンズ５３は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第３レンズ５３で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。
　第４レンズ５４は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第４レンズ５４で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。
　ガルバノスキャナ５５は、第１レンズ５１で変換された平行光を、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４のそれぞれに入る光に分ける。ガルバノスキャナ５５は、第１ガルバノミラー５７と、第２ガルバノミラー５８と、第３ガルバノミラー５９と、を備えている。各ガルバノミラー５７，５８，５９は、光を分けるとともに、傾斜角度（出射角度）を変化することができる。
　第１ガルバノミラー５７は、第１レンズ５１を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第２ガルバノミラー５８に出射する。また、第１ガルバノミラー５７は、レーザ光２００の他部を反射させ、反射したレーザ光２００を第４レンズ５４に出射する。第１ガルバノミラー５７は、その傾斜角度によって、第４レンズ５４を通過したレーザ光２００の照射位置を変化させる。
　第２ガルバノミラー５８は、第１ガルバノミラー５７を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第３ガルバノミラー５９に出射する。また、第２ガルバノミラー５８は、レーザ光２００の他部を反射させ、反射したレーザ光２００を第３レンズ５３に出射する。第２ガルバノミラー５８は、その傾斜角度によって、第３レンズ５３を通過したレーザ光２００の照射位置を変化させる。
　第３ガルバノミラー５９は、第２ガルバノミラー５８を通過したレーザ光２００の一部を第２レンズ５２に出射する。
　光学系４２では、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、および第３レンズ５３によって、溶融装置４５が構成されている。溶融装置４５は、レーザ光２００の照射によって、ノズル３３から対象物１１０に供給された材料１２１（１２３）を加熱することにより、層１１０ｂを形成するとともにアニール処理を行う。
　また、光学系４２では、材料１２１の除去装置４６が構成されている。除去装置４６は、ベース１１０ａ上または層１１０ｂに形成された不要な部位をレーザ光２００の照射によって除去する。除去装置４６は、具体的には、ノズル３３による材料１２１の供給時における材料１２１の飛散によって発生する不要部位や、層１１０ｂの形成時に発生する不要部位等の、積層造形物１００の所定の形状とは異なる部位を除去する。除去装置４６は、当該不要部位を除去するのに足りるパワー密度を有するレーザ光２００を出射する。
　計測装置１６は、固化した層１１０ｂの形状および造形された積層造形物１００の形状を計測する。計測装置１６は、計測した形状の情報を制御装置１７に送信する。計測装置１６は、例えば、カメラ６１と、画像処理装置６２と、を備えている。画像処理装置６２は、カメラ６１で計測した情報に基づいて画像処理を行う。なお、計測装置１６は、例えば、干渉方式や光切断方式等によって、層１１０ｂおよび積層造形物１００の形状を計測する。
　移動装置７１（移動機構）は、ノズル３３を互いに直交する３軸方向に移動することができる。
　制御装置１７は、移動装置１３、搬送装置２４、供給装置３１、供給装置３１Ａ、排出装置３２、光源４１、ガルバノスキャナ５５、画像処理装置６２、および移動装置７１に、信号線２２０を介して電気的に接続されている。
　制御装置１７は、移動装置１３を制御することで、ステージ１２を３軸方向に移動させる。制御装置１７は、搬送装置２４を制御することで、造形した積層造形物１００を副室２２に搬送する。制御装置１７は、供給装置３１を制御することで、材料１２１の供給の有無ならびに供給量を調整する。制御装置１７は、排出装置３２を制御することで、材料１２１の粉体やヒュームの排出の有無ならびに排出量を調整する。制御装置１７は、光源４１を制御することで、光源４１から出射されるレーザ光２００のパワー密度を調整する。制御装置１７は、ガルバノスキャナ５５を制御することで、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、および第３ガルバノミラー５９の傾斜角度を調整する。また、制御装置１７は、移動装置７１を制御することで、ノズル３３の位置を制御する。
　制御装置１７は、記憶部１７ａを備えている。記憶部１７ａには、造形する積層造形物１００の形状（参照形状）を示すデータ等が記憶されている。また、記憶部１７ａには、３次元の処理位置（各点）毎のノズル３３とステージ１２との高さを示すデータ等が記憶されている。
　制御装置１７は、ノズル３３から複数の異なる材料１２１を選択的に供給し、複数の材料１２１の比率を調整（変更）する機能を備えることができる。例えば、制御装置１７は、記憶部１７ａに記憶された各材料１２１の比率を示すデータに基づいて、当該比率で材料１２１の層１１０ｂが形成されるよう、供給装置３１等を制御する。この機能により、積層造形物１００の位置（場所）によって複数の材料１２１の比率が変化（漸減または漸増）する傾斜材料（傾斜機能材料）を造形することができる。具体的には、例えば、層１１０ｂの形成に際し、制御装置１７が、積層造形物１００の３次元座標の各位置に対応して設定された（記憶された）材料１２１の比率となるように、供給装置３１を制御することにより、積層造形物１００を、材料１２１の比率が３次元の任意の方向に変化する傾斜材料（傾斜機能材料）として造形することが可能である。単位長さあたりの材料１２１の比率の変化量（変化率）も、種々に設定することが可能である。
　制御装置１７は、材料１２１の形状を判断する機能を備えている。例えば、制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較することで、所定の形状でない部位が形成されているか否かを判断する。
　また、制御装置１７は、材料１２１の形状の判断により所定の形状でない部位と判断された不要な部位を除去することで、材料１２１を所定の形状にトリミングする機能を備えている。例えば、制御装置１７は、まず、所定の形状とは異なる部位に材料１２１が飛散して付着している場合に、第１ガルバノミラー５７を介して第４レンズ５４から出射されたレーザ光２００が材料１２１を蒸発可能なパワー密度となるように光源４１を制御する。次いで、制御装置１７は、第１ガルバノミラー５７を制御して、レーザ光２００を、当該部位に照射して材料１２１を蒸発させる。
　次に、図２を参照し、積層造形装置１による積層造形物１００の製造方法について説明する。図２に示されるように、まずは、材料１２１の供給およびレーザ光２００の照射が行われる。制御装置１７は、材料１２１がノズル３３から所定の範囲に供給されるよう供給装置３１，３１Ａ等を制御するとともに、供給された材料１２１がレーザ光２００によって溶融するよう、光源４１やガルバノスキャナ５５等を制御する。これにより、図２に示されるように、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを形成する範囲に、溶融した材料１２３が所定の量だけ供給される。材料１２３は、ベース１１０ａや層１１０ｂに噴射されると、変形して層状または薄膜状等の材料１２３の集合となる。あるいは、材料１２３は、材料１２１を運ぶガス（気体）によって冷却されるか若しくは材料１２１の集合への伝熱によって冷却されることにより、粒状で積層され、粒状の集合となる。
　次に、積層造形装置１では、アニール処理が行われる。制御装置１７は、ベース１１０ａ上の材料１２３の集合にレーザ光２００が照射されるよう、光源４１や溶融装置４５等を制御する。これにより、材料１２３の集合が再溶融されて層１１０ｂになる。
　次に、積層造形装置１では、形状計測が行われる。制御装置１７は、アニール処理が行われたベース１１０ａ上の材料１２３を計測するよう、計測装置１６を制御する。制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較する。
　次に、積層造形装置１では、トリミングが行われる。制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、例えば、ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状とは異なる位置に付着していたことが判明した場合には、不要な材料１２３が蒸発するよう、光源４１や除去装置４６等を制御する。一方、制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、層１１０ｂが所定の形状であったことが判明した場合には、トリミングを行わない。
　上述した層１１０ｂの形成が終了すると、積層造形装置１は、当該層１１０ｂの上に、新たな層１１０ｂを形成する。積層造形装置１は、層１１０ｂを反復的に積み重ねることにより、積層造形物１００を造形する。
　ここで、図３～５が参照され、本実施形態の例示的なノズル３３の詳細な構成および機能が説明される。以下では、説明の便宜上、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向が規定される。Ｘ方向は、図３では左右方向であり、Ｙ方向は、図３では紙面と垂直な方向であり、Ｚ方向は、図３では上下方向である。ステージ１２、積層造形物１００、対象物１１０、ベース１１０ａ、および層１１０ｂの上面は、Ｘ方向とＹ方向との平面に略沿って広がる。積層造形装置１では、ノズル３３およびステージ１２のうち少なくとも一方がＸ方向およびＹ方向に移動することによりノズル３３とステージ１２とが相対的に移動し、Ｘ方向およびＹ方向の平面に沿って材料１２１の層１１０ｂが形成される。そして、材料１２１の層１１０ｂが順次Ｚ方向に積層されることで、立体的な積層造形物１００が形成される。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向や横方向等と称されうる。Ｚ方向は、鉛直方向や、垂直方向、高さ方向、厚さ方向、縦方向等と称されうる。
　ノズル３３は、ボディ３３０を備える。ボディ３３０は、細長い形状を有し、例えば、窒化ホウ素（セラミック材料）等、耐熱性の高い材料で構成される。ボディ３３０の長手方向（軸方向）は、例えば、Ｚ方向に沿う。ボディ３３０の短手方向（幅方向）は、例えば、Ｘ方向およびＹ方向に沿う。ボディ３３０は、円柱状の外観を呈している。ボディ３３０は、外面（面）としての、下面３３１や、側面３３２等を有する。下面３３１は、ボディ３３０の長手方向の端部（下端）に位置され、端面とも称されうる。下面３３１は、ステージ１２や、積層造形物１００、対象物１１０等と面する。下面３３１は、平面状に形成されている。側面３３２は、ボディ３３０の短手方向の端部に位置され、周面とも称され得る。側面３３２は、円柱面状に形成されている。
　ボディ３３０の下面３３１には、三つの開口部３３３～３３５が開口されている。これら開口部３３３～３３５のうち中央に位置する開口部３３３からは、レーザ光２００が出射されるとともに、材料１２１の粉体が吐出される。図４に示されるように、開口部３３３の開口端３３３ａは、円形である。また、図３に示されるように、開口部３３３の開口端３３３ａは、レーザ光２００の光路（光束）の直径よりも大きい。よって、材料１２１の粉体は、レーザ光２００の光束内および光束の周囲に沿って、処理領域に供給されうる。
　図３に示されるように、開口部３３３の開口端３３３ａ側（先端側）には、室３３６（凹部）が形成されている。室３３６は、開口部３３３の一部である。室３３６は、内面（面）としての、底面３３６ａと側面３３６ｂ（周面）とによって形成されている。底面３３６ａは、例えば円形かつ平面状である。なお、底面３３６ａは、レーザ照射方向側（図３では下側）に向けて突出した円錐面状であってもよい。側面３３６ｂは、すり鉢状の面である。側面３３６ｂの直径は、レーザ照射方向側（図３では下側）に向けて徐々に小さくなる。側面３３６ｂは、レーザ照射方向に向かうにつれて内径が小さくなるよう傾斜した凹状の曲面である。
　底面３３６ａの中央部には、開口部３３７が開口されている。開口部３３７は、ボディ３３０の長手方向に沿って延びている。開口部３３７の短手方向に沿う断面、すなわち長手方向と直交する断面は、円形である。開口部３３７の直径は、先端側に向けて徐々に小さくなるよう形成されてもよい。開口部３３７には、ケーブル２１０等を介してレーザ光２００が導入される。開口部３３７は、レーザ光２００の通路であり、出射口の一例である。ボディ３３０は、出射部の一例である。
　開口部３３７の周囲には、開口部３３８が形成されている。開口部３３８は、ボディ３３０の長手方向に沿って延びている。開口部３３８は、室３３６の側面３３６ｂと接して開口されている。図５に示されるように、開口部３３８の短手方向に沿う断面は、円環状である。開口部３３８の断面は、円弧状かつスリット状に形成されてもよい。開口部３３８は、供給管３４等を介して、供給装置３１に接続されている。開口部３３８は、材料１２１の粉体の通路である。開口部３３８は、吐出口の一例であり、材料供給口の一例であり、給気口の一例である。ボディ３３０は、吐出部の一例であり、材料供給部の一例であり、給気部の一例である。
　図３，４に示されるように、下面３３１には、凹部３３９が開口されている。凹部３３９は、室３３６を間隔をあけて取り囲む円環状に開口され、レーザ照射方向とは反対側に凹んでいる。開口端３３９ａは、円状である。開口部３３４，３３５は、凹部３３９の底部（図３では上側）に開口されている。凹部３３９は、内面（面）としての、周面３３９ｂ，３３９ｃ，３３９ｄとによって形成されている。周面３３９ｂは、円錐面（テーパ面）である。周面３３９ｂの直径は、先端（開口端３３９ａ）から離れる側（図３では上側）に向けて徐々に大きくなる。周面３３９ｂは、長手方向に対して傾斜した凸状の曲面である。周面３３９ｃは、円筒の筒内面である。周面３３９ｃは、開口部３３４の面と連なっている。周面３３９ｄは、すり鉢状の面である。周面３３９ｄの直径は、先端側（図３では下側）に向けて徐々に大きくなる。周面３３９ｄは、長手方向に対して傾斜した凹状の曲面である。開口部３３４は、周面３３９ｂ，３３９ｃの奥側に開口され、開口部３３５は、周面３３９ｄに開口されている。
　開口部３３４は、ボディ３３０の長手方向に沿って延びている。図５に示されるように、開口部３３４の短手方向に沿う断面は、円環状である。また、図４に示されるように、開口部３３４は、周面３３９ｃに接して開口されている。開口部３３４は、排出管３５等を介して排気装置３２に接続されている。開口部３３４は、気体や、材料１２１、ヒューム（炭化された材料）等を排出（回収）する通路として用いられる。開口部３３４は、排気口の一例である。ボディ３３０は、排気部の一例である。
　開口部３３４の周囲には、開口部３３５が形成されている。開口部３３５は、ボディ３３０の長手方向に沿って延びている。図５に示されるように、開口部３３５の短手方向に沿う断面は、円環状である。開口部３３５の先端部は、ボディ３３０の中心側（中心軸側、径方向内側）に向けて斜めに屈曲されている。開口部３３５は、供給管３４Ａ等を介して、供給装置３１Ａに接続されている。開口部３３５は、処理領域に気体を供給する通路である。開口部３３５は、給気口の一例である。ボディ３３０は、給気部の一例である。
　上記構成のノズル３３では、図３に示されるように、材料１２１の粉体がボディ３３０から吐出される前に、開口部３３３内（室３３６内）で材料１２１の粉体の一部がレーザ光２００に照射される。すなわち、室３３６内で、材料１２１の粉体（の少なくとも一部）に対して予備加熱が行われるため、材料１２１は、より早い段階で軟化あるいは溶融しやすい。よって、例えば、ノズル３３から粉体のまま吐出される場合に比べて、飛散しにくくなるため、溶融プールＰに材料１２１をより確実にあるいはより効率よく供給できる場合がある。また、本実施形態では、レーザ光２００は室３３６の中央部を通るとともに、材料１２１の粉体が吐出される開口部３３８は室３３６の中央部から外れた側面３３６ｂに接している。よって、材料１２１の粉体を含む気体は、レーザ光２００から離れた位置に吐出されるとともに、側面３３６ｂに沿って流れるため、材料１２１が室３３６内で必要以上に軟化したり溶融したりするのを抑制できる。
　以上のように、本実施形態では、ノズル３３のボディ３３０には、レーザ光２００が出射されるとともに材料１２１の粉体が吐出される開口部３３３が設けられている。よって、材料１２１の粉体がノズル３３から吐出された後にレーザ光２００が照射されることにより溶融される場合に比べて、より早い段階で材料１２１の粉体の少なくとも一部がレーザ光２００によって軟化又は溶融される。よって、例えば、溶融プールＰに材料１２１をより確実にあるいはより効率よく供給できる場合がある。
　また、従来のノズルのように、材料の粉体用の開口部とレーザ光用の開口部とが別個に設けられている場合、材料の粉体は、レーザ光の集光位置に向けてレーザ光の周辺から斜めに噴射される構成が採用される場合がある。このような構成では、例えば、対象物上のレーザ光の光径（照射領域、溶融領域）を拡大するためにノズルを対象物に対して上方または下方に移動させると、集光位置に向けた材料の噴射位置は、溶融領域からは上下に外れてしまう。よって、材料は溶融領域（溶融プールＰ、図３参照）に到達し難くなる。よって、上記従来の構成では、ノズルと対象物との距離を変化させることにより光径を変化させることは、難しかった。この点、本実施形態では、材料１２１の粉体（の少なくとも一部）は、比較的早い段階でレーザ光２００によって溶融され、レーザ光２００とともに溶融プールＰに落下する。よって、ノズルと対象物との距離が変化した場合にあっても、材料１２１の粉体が処理領域からずれた位置に供給されることが、抑制されやすい。よって、ノズル３３（ボディ３３０）やステージ１２等を上下させてレーザ光２００の光径（大きさ、広さ）を変化させやすい。具体的には、例えば、より精度の高い造形が必要な部位については、レーザ光２００の光径がより小さく設定され、より迅速な造形が必要な部位については、レーザ光２００の光径がより大きく設定される。例えば、制御装置１７は、各位置で層１０１ｂの形成を行うにあたり、記憶部１７ａを参照して、位置に対応したノズル３３の高さを示すデータを取得し、当該データに応じてノズル３３の高さを設定する。次いで、制御装置１７は、各部を制御して、材料１２１の粉体を供給しながらレーザ光２００を照射して、層１０１ｂを形成する。この手順を繰り返すことにより、ノズル３３の高さ、すなわち、ノズル３３（ボディ３３０）と対象物１１０との距離が第一の距離で造形（層１１０ｂの形成）が実行されるステップと、ノズル３３と対象物１１０との距離が第一の距離とは異なる第二の距離で造形が実行されるステップとが、実行される。
　また、本実施形態では、開口部３３３の開口端３３３ａ（開口端部）には室３３６が含まれ、室３３６に、レーザ光２００が出射される開口部３３７（出射口）と材料１２１の粉体が吐出される開口部３３８（吐出口）とが開口されている。よって、室３３６として、材料１２１の粉体の一部がレーザ光２００によって予備加熱される空間を、形成することができる。また、例えば、室３３６のスペック、例えば、室３３６の形状や、大きさ、開口部３３７，３３８の配置、レーザ光２００の光路径に対する開口端３３３ａの大きさ等の、設定によって、材料１２１のより好適な軟化状態あるいは溶融状態が得られやすい。
　また、本実施形態では、開口部３３８は、環状通路である。よって、例えば、材料１２１の粉体の分布のばらつきが減りやすい。
　また、本実施形態では、開口部３３８は、室３３６の側面３３６ｂ（周面）に接して開口された。よって、例えば、材料１２１の粉体が側面３３６ｂに沿って流れやすくなり、レーザ光２００によって材料１２１の粉体の予備加熱する時期が早すぎる状況が、生じ難い。
　また、本実施形態では、開口部３３３の周囲に、開口部３３５（給気口）が設けられ、開口部３３３と開口部３３５との間に開口部３３４（排気口）が設けられている。よって、開口部３３５から供給された気体を、シールドガスとして利用することができる。よって、例えば、造形に用いられなかった材料１２１の粉体や造形によって生じたヒュームが周囲に拡散するのが抑制されやすい。また、材料１２１の粉体やヒュームを、開口部３３５からの気流によるシールドの内側で、開口部３３４からより効率よく排出することができる。シールドガスは、焼結時の酸化を抑制することができる。本実施形態によれば、シールドガスを、焼結時の酸化抑制に加えて、粉体の飛散抑制や不要な粉体の排出効率向上にも利用することができる。
　図６は、変形例のノズル３３のボディ３３０の、図３のVI－VI線と同等位置での断面図である。この変形例では、室３３６（開口部３３３）の側面３３６ｂ（周面、内周面、内面）に、螺旋状（渦巻き状）の複数の溝３３６ｃ（ガイド部）が設けられている。溝３３６ｃは、例えば、開口端３３３ａから底部３３６ａに至るまで、設けられうる。溝３３６ｃにより、開口部３３８（吐出口）から吐出された材料１２１の粉体を含む気体の流れが、溝３３６ｃに沿った旋回流（渦流）となる。これにより、材料１２１の粉体がより効率よく供給できる場合がある。なお、図７に示されるように、溝３３６ｃ（ガイド部）は直線状に構成されてもよい。また、ガイド部は、螺旋状に設けられた突起（リブ、壁、畝）であってもよい。
　図８は、別の変形例のノズル３３のボディ３３０の、図３のV－V線と同等位置での断面図である。この変形例では、ボディ３３０に、複数（図８の例では６つ）の開口部３３８が設けられている。複数の開口部３３８がボディ３３０の周方向に略等間隔に配置されている。これにより、材料１２１の粉体がより効率よく供給できる場合もある。また、この場合、複数の穴の加工で済むため、ボディ３３０の製造の手間が減る場合がある。
　以上、本発明の実施形態および変形例を例示したが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。本発明は、上記の実施形態および変形例に開示される構成や制御（技術的特徴）以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、技術的特徴によって得られる種々の結果（効果、派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることができる。

Claims (10)

  1. 　エネルギ線が出射されるとともに材料の粉体が吐出される開口部が設けられたボディを備えた積層造形装置用のノズル。
  2. 　前記ボディの前記開口部の近傍には室が設けられ、
    　前記ボディには、前記室に開口されエネルギ線が出射される出射口と、前記室に開口され前記粉体が吐出される吐出口とが設けられた請求項１に記載のノズル。
  3. 　前記吐出口は、前記出射口の外側に設けられた、請求項２に記載のノズル。
  4. 　前記吐出口は、前記出射口の周囲を囲うように設けられている請求項２または３に記載のノズル。
  5. 　前記吐出口は複数設けられている請求項２～４のうちいずれか一つに記載のノズル。
  6. 　前記吐出口は、前記室の周面に接して開口された、請求項２～５のうちいずれか一つに記載のノズル。
  7. 　前記開口部の内面に、前記粉体が前記内面に沿って旋回するようガイドするガイド部が設けられた、請求項１～６のうちいずれか一つに記載のノズル。
  8. 　前記開口部の周囲に気体を供給する給気口が設けられた、請求項１～７のうちいずれか一つに記載のノズル。
  9. 　前記開口部と前記給気口との間に、気体を吸引する排気口が設けられた、請求項８に記載のノズル。
  10. 　エネルギ線を生成する光源と、
    　請求項１～９のうちいずれか一つに記載のノズルと、
    　材料を前記ノズルに供給する供給部と、
    造形物と前記ノズルとを相対的に動かす移動機構と、
    　を備えた、積層造形装置。
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