WO2016135906A1 - 光加工ヘッド、光加工装置および光加工方法 - Google Patents

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processing head
light
light source
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大野　博司
裕司 笹木
佐々木　光夫
小原　隆
和之 益川
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Definitions

  • the present invention relates to an optical processing head, an optical processing apparatus, and an optical processing method.
  • Patent Document 1 discloses a laser processing apparatus provided with a preheating secondary laser in order to suppress thermal stress during processing and improve modeling accuracy.
  • An object of the present invention is to provide a technique for solving the above-described problems.
  • an optical processing head comprises: An optical processing head that processes an optical spot formed by condensing light from a light source while moving it in a predetermined movement direction on a processing surface, A first optical element that condenses light from the light source and generates the optical spot having a shape extending in the moving direction; A part of the optical spot is a processing region, The front and / or rear of the processing region in the moving direction is defined as a preheating region and / or a postheating region, and the processing object before and / or after processing in that region is heated.
  • an optical processing apparatus comprises: The optical processing head includes: a light source; and an optical transmission unit configured to transmit light emitted from the light source to the optical processing head.
  • the method according to the present invention comprises: A method of controlling an optical processing head for processing an optical spot formed by condensing light from a light source while moving on a processing surface,
  • the optical processing head includes an optical element that collects light from the light source and generates the optical spot having a shape extending in one direction, A part of the optical spot is used as a processing region, and the front and / or rear of the processing region in the moving direction is used as a preheating region and / or a postheating region, and a processing object before and / or after processing of the region is heated. Therefore, the method includes a turning step of turning the optical element in accordance with the moving direction of the optical spot.
  • a program provides: A control program for an optical processing head that processes an optical spot formed by condensing light from a light source while moving on the processing surface,
  • the optical processing head includes an optical element that collects light from the light source and generates the optical spot having a shape extending in one direction, Depending on the moving direction of the optical spot, a part of the optical spot is used as a processing area, and the processing object before or after processing is heated using the front or rear of the processing area as a preheating area or a postheating area. And causing the computer to execute a rotation step of rotating the optical element.
  • the apparatus can be miniaturized while improving the accuracy of optical processing.
  • cylindrical lens refers to a lens having a cylindrical side surface.
  • toric lens refers to a lens having a side surface of a curved cylinder as a cylinder obtained by bending a right cylinder, that is, a cylinder having a bent central axis.
  • optical processing head (Optical Processing Head) as a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • This optical processing head processes an optical spot formed by condensing light from a light source while moving the processing surface and the optical processing head relatively in a predetermined moving direction on the processing surface. 100 and includes an optical element 101.
  • the optical element 101 condenses the light 110 from the light source to generate an optical spot 130 having a shape extending in the moving direction 120.
  • a part of the optical spot 130 is defined as a processing region 131, and the front and / or back of the processing region 131 in the moving direction is defined as a preheat region 132 and / or a post heat region 133, and a processing target before and / or after processing in that region.
  • the object 140 is heated.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an internal configuration of the optical processing head 200.
  • the optical processing head 200 includes a condensing optical system device 201, an observation device 202, and a nozzle 203.
  • the light beam 205 guided from the light source (not shown) through the light transmission unit 220 to the optical processing head 200 from the incident end 212 passes through the optical processing head 200 and is emitted to the processing surface 260.
  • the condensing optical system device 201 is also supplied with a processing material and a gas from a material supply device and a gas supply device (not shown) via a material supply unit 250 and a gas supply unit 240, and mixed with the gas. Is ejected from the nozzle 203 to the processing surface 260.
  • the material may be, for example, metal powder or resin powder.
  • the particle size is, for example, 0.001 to 1 mm.
  • the material is injected so as to converge toward the processing region 231. At this time, the convergence region of the material on the processed surface 260 is called a powder spot.
  • the optical processing head 200 forms a molten pool by absorbing light emitted on the processing surface 260 and heats it, and injects material from the nozzle 203 toward it to deposit the material.
  • the processing area 231 is an area where the material lands on the molten pool, that is, a powder spot.
  • the position of the processing region 231 is moved on the processing surface 260 to perform processing of a desired shape.
  • the front in the movement direction becomes the preheat area 232 and the rear in the movement direction becomes the postheat area 233.
  • Preheating raises the temperature of the machining area in advance and suppresses a rapid temperature rise in the machining area. Thereby, the thermal stress caused by rapid temperature rise can be reduced, warpage and deformation during processing can be reduced, and processing accuracy can be improved.
  • post-heating warms the processing area after processing and suppresses rapid cooling.
  • the thermal stress caused by rapid temperature drop can be reduced, warpage and deformation during processing can be reduced, and processing accuracy can be improved.
  • the observation apparatus 202 is an apparatus for observing the processing status by the condensing optical system apparatus 201, and includes an imaging apparatus 221 including an imaging element such as a CCD or a CMOS. Light from the processing surface 260 is guided to the imaging device 221 by a half-transparent mirror 222 provided inside the condensing optical system device 201.
  • the machining accuracy can be improved by feedback-controlling the machining parameters according to the machining situation observed in this way.
  • Light 205 from the light source is converted into parallel light 210 by a lens 206 provided in the optical processing head 201.
  • the optical element is not limited to a lens, and any optical element that converts into parallel light 210 may be used.
  • a parabolic mirror may be used.
  • the optical processing head 200 includes a cylindrical lens 211 as an example of an optical element that collects the parallel light 210 and generates an optical spot 230 having a shape extending in the moving direction 220.
  • the lens has less loss and better energy efficiency than other types of optical elements. Further, by applying an antireflection film on both surfaces of the lens, the light reflection loss can be reduced to several percent or less, and the energy efficiency can be further improved.
  • the lens has a small absorption loss, it is difficult to raise the temperature, and the thermal lens effect (change in the refractive index of the lens and the change in the lens shape due to heat) and deterioration of the entire optical processing head 200 can be prevented.
  • the parallel light 210 is incident on the optical element 211, so that the light condensing performance can be improved, and high-definition processing is possible.
  • Etendue's theory if the width of the condensing spot in the condensing direction is A and the slight inclination from the optical axis of the parallel light 210 (that is, deviation from parallel) is ⁇ , It becomes. That is, A becomes thinner as ⁇ becomes smaller. As a result, there is an effect that the more light rays incident on the optical element 211 are parallel light, the higher the light collecting performance.
  • the cylindrical lens 211 converts the parallel light 210 into an elliptical optical spot 230 on the processing surface 260.
  • the optical spot 230 is not limited to an ellipse, and may have any shape as long as it extends along the moving direction of the processing region (elongated shape).
  • a toric lens may be used in place of the cylindrical lens 211.
  • a difference in light intensity can be provided in the light condensing region, so that the preheat temperature or the postheat temperature can be adjusted independently.
  • FIG. 3 is a diagram in which only the cylindrical lens unit 300 is taken out in order to explain the peripheral structure of the cylindrical lens 211 and its operation in detail.
  • the cylindrical lens unit 300 is incorporated in the optical processing head 200.
  • the cylindrical lens 211 is held between two guides 302 and 303, and these guides 302 and 303 are fixed to the cylindrical portion 301.
  • the parallel light 210 that has passed through the cylindrical lens 211 is refracted toward a plane that passes through the center line 304 of the cylindrical lens 211 and is parallel to the parallel light 210 as shown in the right figure. Tie spots).
  • the optical spot has an elliptical shape. That is, by directing the central axis 304 in the moving direction of the optical spot on the processing surface, the optical spot 230 becomes an elliptical shape having a long axis in the moving direction.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the rotation of the cylindrical lens 211.
  • the cylindrical lens unit 300 rotates in the direction of arrow 402 about the optical axis 401.
  • the cylindrical lens unit 300 is adjusted in accordance with the change in the movement direction. Rotate. That is, by rotating the cylindrical lens 211 in a plane perpendicular to the optical axis 401 of the parallel light 210, the direction of the optical spot 230 can be changed following the change in the moving direction. That is, the positions of the preheat region 232 and the postheat region 233 can be made to follow the moving direction.
  • the cylindrical lens unit 300 can be rotated by using, for example, a motor and a gear.
  • the entire apparatus can be reduced in size.
  • the downsizing can reduce the number of parts, reduce the cost, and shorten the lead time for manufacturing the apparatus.
  • the position of preheating and postheating can be changed in accordance with the moving direction of the processing area on the processing surface, and high-quality processing can be realized.
  • the cylindrical lens 211 is used as an example of an optical element.
  • the present invention is not limited to this, and a toric lens can be used instead.
  • the heat distribution in the processing region 231, the preheat region 232, and the postheat region 233 can be adjusted. For example, it becomes possible to generate more heat with respect to the processing region 231.
  • FIG. 5 is a transparent perspective view for explaining the internal configuration of the optical processing head 500 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged view for explaining the configuration and operation of the cylindrical lens unit 600 according to the present embodiment. It is a perspective view.
  • the optical processing head 500 according to the present embodiment is disposed closer to the light source than the cylindrical lens 511, and a transparent plate 505 that transmits the parallel light 210 incident on the cylindrical lens 511, and parallel light.
  • the transparent plate 505 is provided with antireflection films for the parallel light 210 on both sides. As shown in FIG. 5, the transparent plate 505 can be arranged so that the normal direction of the transmission surface of the transparent plate 505 matches the direction of the parallel light 210. In this case, although the reflection loss due to the transparent plate 505 is 1 to 2%, the optical spot is not affected.
  • the transparent plate 505 has a rotation shaft 651 perpendicular to a plane including the center line 604 of the cylindrical lens 511 and the optical axis 401 of the parallel light 210, and rotates about the rotation shaft 651.
  • the optical spot 531 is a powder spot, that is, a processing region 231.
  • the preheat region 232 and the postheat region 233 can be generated simultaneously.
  • the transparent plate 505 rotates around the rotation shaft 651 counterclockwise in the drawing, and the position in which the front in the movement direction is upward (the state in FIG. 5 and a predetermined angle).
  • the optical spot 632 includes a powder spot, that is, a processed region 231 at the rear end. At this time, only the preheat region 232 can be provided large.
  • the optical spot 633 includes a powder spot, that is, a processed region 231 at its front end. At this time, only the post heat region 233 can be provided larger.
  • FIG. 7 is an enlarged perspective view for explaining the configuration and the operation of the cylindrical lens unit 700 according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the operation of the cylindrical lens unit 700.
  • the optical processing head according to this embodiment is different from the second embodiment in that a transparent plate 705 that transmits parallel light 210 incident on the cylindrical lens 711 is provided closer to the light source than the cylindrical lens 711. Furthermore, in this embodiment, in order to refract the parallel light 210, it also has an inclined portion (not shown) that changes the angle formed by the parallel light 210 and the transparent plate 705. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the transparent plate 705 of the present embodiment also rotates in the same manner as the transparent plate 505 of the third embodiment, but the direction is different.
  • the transparent plate 705 rotates around a rotation shaft 751 parallel to the center line 704 of the cylindrical lens 711.
  • the transparent plate 705 rotates around the rotation shaft 751 and the right side in the movement direction (the front side in the drawing) is located upward (the state in FIG. 5 and a predetermined angle (for example, The optical spot 731 moves to a direction 721 perpendicular to the moving direction 220, that is, the front side in the figure.
  • the transparent plate 705 rotates around the rotation shaft 751 and the position where the left side in the movement direction (the back side in the drawing) is upward (the state shown in FIG.
  • the optical spot 731 is at an angle (for example, a position that forms ⁇ 10 degrees)
  • the optical spot 731 moves in a direction 722 that forms a right angle with the moving direction 220, that is, in the back in the figure.
  • the position of the processing area can be finely adjusted in a direction orthogonal to the moving direction 220.
  • the processing region moves while drawing a curve, it is possible to select whether to process from the inside of the curve or from the outside.
  • the cylindrical lens 711 is slid in a direction 801 orthogonal to the moving direction in accordance with the change in the angle of the transparent plate 705. That is, the guides 702 and 703 shown in FIG. 7 support the cylindrical lens 711 so as to be slidable.
  • preheating or postheating can be performed during processing, or they can be performed simultaneously, and the position of the processing region can be finely adjusted separately from the moving direction. This improves the processing quality and accuracy.
  • FIG. 9A is a transparent perspective view for explaining the configuration of the optical processing head 900 according to this embodiment.
  • FIG. 9B is a top view for explaining a configuration for realizing replacement of the cylindrical lens unit.
  • the optical processing head 900 has a plurality of different types of cylindrical lens units and a mechanism for exchanging those cylindrical lens units as compared with the second embodiment. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the cylindrical lens 901 has the same configuration as the cylindrical lenses 211, 511, and 711 of the second to fourth embodiments, and is provided in the optical processing head 900.
  • the cylindrical lens 902 can be moved to the outside of the optical processing head 900 by a rotation mechanism 905.
  • the cylindrical lens 903 is also fixed to the same rotation mechanism 905, and the cylindrical lenses 902 and 903 can be exchanged.
  • a cylindrical portion 940 not provided with a cylindrical lens is fixed to the rotation mechanism 905. That is, the cylindrical lens units 920 and 930 provided with the cylindrical lenses 902 and 903 can be replaced with the cylindrical portion 940 provided with no cylindrical lenses.
  • the cylindrical lens 901 converts parallel light into an elliptical optical spot on the processing surface, but the aspect ratio of the ellipse can be reduced by combining with the cylindrical lens 902 having a center line in a different direction. it can. Furthermore, the reduction ratio of the aspect ratio can be adjusted by combining cylindrical lenses 903 having different curvatures. The minimum aspect ratio is 1. At this time, the optical spot is a circle.
  • a transparent plate may be provided upstream of the cylindrical lens 901. If the transparent plate is held by the tilt mechanism and the tilt mechanism is held by the rotation mechanism, the position of the optical spot and the ratio of the preheat and the postheat can be freely adjusted as in the third and fourth embodiments. It becomes possible.
  • the optical spot can be changed to a circular shape or an elliptical shape, and the optical spot can be selectively selected according to processing. This selectivity makes it possible to optimize machining and improve machining accuracy.
  • the optical processing apparatus 1000 includes any of the optical processing heads 100, 200, 500, and 900 described in the above-described embodiments, and melts a material with heat generated by the collected light (three-dimensional structure ( Or it is an apparatus which produces
  • an optical processing apparatus 1000 including the optical processing head 200 will be described.
  • the optical processing apparatus 1000 includes a light source 1001, an optical transmission unit 215, a refrigerant supply device 1003, a refrigerant supply unit 1004, a stage 1005, a material storage device 1006, a material supply unit 250, a gas supply device 1008, and a gas.
  • a supply unit 240 is provided.
  • the light source 100 for example, a laser light source, an LED, a halogen lamp, or a xenon lamp can be used.
  • the wavelength of the light beam is, for example, 1060 nm.
  • the present invention is not limited to this, and any light can be used as long as it is absorbed by the processing surface 260.
  • the optical transmission unit 215 is, for example, an optical fiber having a core diameter of ⁇ 0.01 to 1 m, and guides light generated by the light source 1001 to the optical processing head 200.
  • the core diameter of the optical transmission unit 215 becomes the diameter of the incident end 212.
  • the refrigerant supply device 1003 stores, for example, water as a refrigerant, and supplies the refrigerant to the refrigerant supply unit 1004 with a pump.
  • the refrigerant supply unit 1004 is a resin or metal hose having an inner diameter ⁇ 2 to 6.
  • the coolant is supplied into the optical processing head 200, circulated inside the optical processing head 200, and returned to the coolant supply device 1003, thereby suppressing the temperature rise of the optical processing head 200.
  • the supply amount of the refrigerant is, for example, 1 to 10 L / min.
  • Stage 1005 is an X stage, an XY stage, or an XYZ stage. Each axis of XYX can be driven.
  • the material container 1006 supplies a carrier gas containing a material to the optical processing head 200 via the material supply unit 230.
  • the material is particles such as metal particles and resin particles.
  • the carrier gas is an inert gas, and may be, for example, argon gas, nitrogen gas, or helium gas.
  • the material supply unit 250 is, for example, a resin or metal hose, and guides the powder flow in which the material is mixed into the carrier gas to the optical processing head. However, when the material is a wire, no carrier gas is required.
  • the gas supply device 1008 supplies purge gas to the optical processing head 200 via the gas supply unit 240.
  • the purge gas is, for example, nitrogen, argon, or helium. However, the purge gas is not limited to this, and may be another gas as long as it is an inert gas.
  • the purge gas supplied to the optical processing head 200 is ejected from the tip of the nozzle 203 along the light beam described above.
  • the optical processing apparatus 1000 may include an attitude control mechanism and a position control mechanism for controlling the attitude and position of the optical processing head 200.
  • the attitude and position of the optical processing head 200 are determined. Change the machining area on the machining surface.
  • the present invention is not limited to this, and the processing region on the processing surface may be moved by changing the posture and position of the stage 1005 while fixing the optical processing head 200.
  • the modeled object 1010 is created on the stage 1005.
  • the emitted light emitted from the optical processing head 200 is collected on the processed surface 260 on the modeled object 1010.
  • the processing surface 260 is heated by melting and melted to form a molten pool in part.
  • Material is injected from the nozzle 203 into the molten pool on the work surface 260.
  • the material then melts into the molten pool. Thereafter, the molten pool is cooled and solidified, so that material is deposited on the processed surface 260 and three-dimensional modeling is realized.
  • the purge gas is injected from the nozzle 203 to the processing surface 260. Therefore, the surrounding environment of the molten pool is purged with the purge gas. By selecting an inert gas that does not contain oxygen as the purge gas, oxidation of the processed surface 260 can be prevented.
  • the optical processing head 200 is cooled by the refrigerant supplied from the refrigerant supply device 1003 via the refrigerant supply unit 1004, and temperature rise during processing is suppressed.
  • the optical processing head 200 is moved along the processing surface 260, so that desired modeling can be performed while depositing materials. That is, overlay welding or three-dimensional modeling can be created by this apparatus.
  • a program installed in the computer a medium storing the program, and a WWW (World Wide Web) server that downloads the program are also included in the scope of the present invention.
  • a non-transitory computer readable medium storing a program for causing a computer to execute the processing steps included in the above-described embodiments is included in the scope of the present invention.

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Abstract

光加工の造形精度を高めつつ、装置を小型化することのできる光加工ヘッドが開示されている。この光加工ヘッドは、光源からの光を集光させることにより形成された光学スポットを加工面上において所定の移動方向に移動させつつ加工する光加工ヘッドである。光加工ヘッドは、光源からの光を集光させて、光学スポットの移動方向に伸長した形状の光学スポットを生成する光学素子を備え、光学スポットの一部を加工領域とし、加工領域の移動方向前方および／または後方をプレヒート領域および／またはポストヒート領域として、その領域における加工前および／または加工後の加工対象物を加熱する。

Description

光加工ヘッド、光加工装置および光加工方法
　本発明は、光加工ヘッド、光加工装置および光加工方法に関する。
　上記技術分野において、特許文献１には、加工時の熱応力を抑えて造形精度を向上させるためプレヒート用の２次レーザを設けたレーザ加工装置が開示されている。
米国特許８，０５３，７０５号公報
　しかしながら、上記文献に記載の技術では、二次光源が必要であり、装置が大型化していた。
　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、
　光源からの光を集光させることにより形成された光学スポットを加工面上において所定の移動方向に移動させつつ加工する光加工ヘッドであって、
　前記光源からの光を集光させて、前記移動方向に伸長した形状の前記光学スポットを生成する第１光学素子を備え、
　前記光学スポットの一部を加工領域とし、
　前記加工領域の移動方向前方および／または後方をプレヒート領域および／またはポストヒート領域として、その領域における加工前および／または加工後の加工対象物を加熱することを特徴とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
　上記光加工ヘッドと、光源と、光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、を備えたことを特徴とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る方法は、
　光源からの光を集光させて形成された光学スポットを加工面上において移動させつつ加工する光加工ヘッドの制御方法であって、
　前記光加工ヘッドは、前記光源からの光を集光させて、一方向に伸長した形状の前記光学スポットを生成する光学素子を備え、
　前記光学スポットの一部を加工領域とし、前記加工領域の移動方向前方および／または後方をプレヒート領域および／またはポストヒート領域として、その領域の加工前および／または加工後の加工対象物を加熱するため、前記光学スポットの移動方向に応じて、前記光学素子を回動させる回動ステップを含むことを特徴とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係るプログラムは、
　光源からの光を集光させることにより形成された光学スポットを加工面上において移動させつつ加工する光加工ヘッドの制御プログラムであって、
　前記光加工ヘッドは、前記光源からの光を集光させて、一方向に伸長した形状の前記光学スポットを生成する光学素子を備え、
　前記光学スポットの一部を加工領域とし、前記加工領域の移動方向前方または後方をプレヒート領域またはポストヒート領域として加工前または加工後の加工対象物を加熱するため、前記光学スポットの移動方向に応じて、前記光学素子を回動させる回動ステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
　本発明によれば、光加工の精度を高めつつ、装置を小型化することができる。
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全体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光学系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光学系の動作を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光加工ヘッドの全体構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光加工ヘッドの全体構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る光加工ヘッドの全体構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る光加工ヘッドの光学系の構成を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る光加工装置の全体構成を示す図である。
　以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、本明細書中、「シリンドリカルレンズ」とは、円柱側面を有するレンズをいう。また、「トーリックレンズ」とは、直円柱を曲げた円柱、つまり、屈曲した中心軸を有する円柱としての曲円柱の側面を有するレンズをいう。
　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態としての光加工ヘッド(Optical Processing Head)について、図１を用いて説明する。この光加工ヘッドは、光源からの光を集光させることにより形成された光学スポットを加工面上において、加工面と光加工ヘッドを相対的に所定の移動方向に移動させつつ加工する光加工ヘッド１００であり、光学素子(Optical Element)１０１を含む。
　光学素子１０１は、光源からの光１１０を集光させて、移動方向１２０に伸長した形状の光学スポット１３０を生成する。
　そして光学スポット１３０の一部を加工領域１３１とし、加工領域１３１の移動方向前方および／または後方をプレヒート領域１３２および／またはポストヒート領域１３３として、その領域における加工前および／または加工後の加工対象物１４０を加熱する。
　以上の構成によれば、プレヒートあるいはポストヒート用に新たに２次レーザを用いなくてよい。プレヒートあるいはポストヒートは、加工対象物の熱応力および残留応力を低減する手段として知られているが、本構成により、光加工の精度を高めつつ、装置を小型化することができる。
　［第２実施形態］
　本発明の第２実施形態としての光加工ヘッド２００について、図２を用いて説明する。図２は、光加工ヘッド２００の内部構成を示すための図であり、図２に示すとおり、光加工ヘッド２００は、集光光学系装置２０１と観察装置２０２とノズル２０３とを含む。
　不図示の光源から光伝送部２２０を経て入射端２１２から光加工ヘッド２００に導かれた光線２０５は、光加工ヘッド２００内部を通過して、加工面２６０に対して射出される。
　集光光学系装置２０１は、また、不図示の材料供給装置およびガス供給装置から、材料供給部２５０およびガス供給部２４０を介して、加工材料およびガスの供給を受け、ガスに混合された材料を、ノズル２０３から加工面２６０に対して射出する。材料は例えば、金属粉末、あるいは樹脂粉末でよい。粒径は例えば0.001～1mmである。材料は、加工領域２３１に向けて収束するように射出される。このとき、加工面２６０における材料の収束領域を粉体スポットと呼ぶ。
　光加工ヘッド２００は、加工面２６０上に射出された光が吸収されて熱化することにより溶融プールを形成し、それに向けてノズル２０３から材料を射出して、材料を盛り付ける。加工領域２３１は、材料が溶融プールに着弾する領域、つまり粉体スポットである。
　そして光加工ヘッド２００を移動させることにより、あるいは、加工対象物を移動させることにより、加工面２６０上で加工領域２３１の位置を移動させて所望の形状の加工を行なう。加工領域２３１を中心として考えたとき、移動方向前方が、プレヒート領域２３２となり、移動方向後方がポストヒート領域２３３となる。プレヒートは、加工領域を事前に昇温し、加工領域の急激な昇温を抑える。これにより、急激な昇温によって引き起こされる熱応力を低減し、加工時の反りや変形を低減でき、加工精度を向上させることができる。
　一方、ポストヒートは加工領域を加工後に温め、急激な冷却を抑える。これにより、急激な降温によって引き起こされる熱応力を低減し、加工時の反りや変形を低減でき、加工精度を向上させることができる。
　観察装置２０２は、集光光学系装置２０１による加工状況を観測するための装置であり、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を含む撮像装置２２１を含む。集光光学系装置２０１の内部に設けられた半透過ミラー（half mirror）２２２により、加工面２６０からの光が撮像装置２２１に導かれる。このように観測した加工状況に応じて、加工パラメータをフィードバック制御することにより加工精度を向上させることができる。
　《レンズ構成》
　光源からの光２０５は、光加工ヘッド２０１内に設けられたレンズ２０６によって平行光２１０に変換される。ただし、レンズに限らず、平行光２１０に変換する光学素子ならば何でもよい。例えば、放物線ミラーなどでもよい。光加工ヘッド２００は、平行光２１０を集光させて、移動方向２２０に伸長した形状の光学スポット２３０を生成する光学素子の一例としてシリンドリカルレンズ２１１を備えている。レンズは、他の種類の光学素子に比べてロスが小さく、エネルギー効率がよい。また、レンズの両面に反射防止膜を塗布することにより、光の反射ロスを数％以下に低減でき、さらにエネルギー効率を向上させることもできる。さらに、レンズは吸収ロスが少ないので昇温しにくく、昇温による熱レンズ効果（熱によるレンズの屈折率変化、レンズ形状の変化）および光加工ヘッド２００全体の劣化を防ぐことができる。このように、光学素子２１１に平行光２１０が入射されることにより、集光性能を高めることができ、高精細な加工が可能となる。エタンデュの理論により、集光スポットの集光方向の幅をAとし、平行光２１０の光軸からの僅かな傾き（つまり平行からのずれ）をδとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
となる。つまり、δが小さいほどAも細くなる。これより、光学素子２１１に入射される光線が平行光であればあるほど、集光性能が高まるという効果がある。
　シリンドリカルレンズ２１１は、平行光２１０を加工面２６０において楕円状の光学スポット２３０に変換する。ここで、光学スポット２３０は楕円に限らず、加工領域の移動方向に沿って伸びた形状（伸長形状）ならばどのような形状でもよい。
　シリンドリカルレンズ２１１の代わりにトーリックレンズを用いてもよく、その場合は集光領域内で光の強度に差異を設けることができるため、プレヒート温度あるいはポストヒート温度が独立に調整できる。
　図３は、シリンドリカルレンズ２１１の周辺構造およびその作用を詳しく説明するため、シリンドリカルレンズユニット３００だけを取り出した図である。シリンドリカルレンズユニット３００は光加工ヘッド２００に組み込まれている。
　シリンドリカルレンズユニット３００は、シリンドリカルレンズ２１１を、２つのガイド３０２、３０３によって狭持し、さらに、それらのガイド３０２、３０３を、円筒部３０１に固定している。シリンドリカルレンズ２１１を透過した平行光２１０は、右図のように、シリンドリカルレンズ２１１の中心線３０４を通り平行光２１０に平行な平面に向かって屈折し、その平面上で、伸長形状の像（光学スポット）を結ぶ。特に平行光２１０が断面円形であれば、その光学スポットは楕円形状となる。すなわち、加工面上の光学スポットの移動方向に中心軸３０４を向けることにより、光学スポット２３０は、移動方向に長軸を有する楕円形状となる。
　図４は、シリンドリカルレンズ２１１の回動について説明するための図である。シリンドリカルレンズユニット３００は、光軸４０１を中心に矢印４０２方向に回動する。加工面上で、加工領域２３１を様々な方向に移動させる必要がある場合、例えば、円周に沿って積層加工を行なおうとする場合には、移動方向の変化に合わせて、シリンドリカルレンズユニット３００を回動させる。すなわち、平行光２１０の光軸４０１と直角をなす平面内でシリンドリカルレンズ２１１を回動させることにより、移動方向の変化に追従して光学スポット２３０の向きを変化させることができる。つまり、プレヒート領域２３２およびポストヒート領域２３３の位置を、移動方向に追従させることができる。なお、回動手段は図示されていないが、例えばモータおよび歯車を用いることでシリンドリカルレンズユニット３００を回動することができる。
　以上、本実施形態によれば、プレヒートまたはポストヒート用の２次レーザを設ける必要がないため、装置全体の小型化を図ることができる。また、小型化により部品点数の削減、コストダウン、および装置製造のリードタイムを短縮できる。さらに、加工面上での加工領域の移動方向に合わせてプレヒート、ポストヒートの位置も変化させることができ、高品質な加工を実現することができる。
　なお、本実施形態では、光学素子の一例としてシリンドリカルレンズ２１１を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、トーリックレンズを代わりに用いることもできる。トーリックレンズを用いることで、加工領域２３１とプレヒート領域２３２およびポストヒート領域２３３との熱分布を調整することができる。例えば、加工領域２３１に対して熱をより大きく発生させることが可能となる。
　［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５００について、図５および図６を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る光加工ヘッド５００の内部構成を説明するための透過斜視図である図６は、本実施形態に係るシリンドリカルレンズユニット６００の構成とその作用を説明するための拡大斜視図である。本実施形態に係る光加工ヘッド５００は、上記第２実施形態と比べると、シリンドリカルレンズ５１１よりも光源側に配置され、シリンドリカルレンズ５１１に入射する平行光２１０を透過させる透明板５０５と、平行光２１０を屈折させるため、平行光２１０と透明板５０５とのなす角度を変化させる不図示の傾斜部と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付してその詳しい説明を省略する。
　透明板５０５は、その両面に平行光２１０に対する反射防止膜を備えている。図５に示すように透明板５０５の透過面の法線方向と平行光２１０の方向を一致させるように透明板５０５を配置することが可能である。この場合、透明板５０５による反射ロスは１～２％あるものの、光学スポットは影響を受けない。
　透明板５０５は、シリンドリカルレンズ５１１の中心線６０４および平行光２１０の光軸４０１を含む平面に対して垂直な回動軸６５１を有し、その回動軸６５１を中心に回動する。
　図５に示すように透明板５０５が平行光２１０に直交する位置にあるとき、つまり、光軸方向と透過面の法線方向が一致するとき、光学スポット５３１は、粉体スポットつまり加工領域２３１をその中心に含む。このとき、プレヒート領域２３２およびポストヒート領域２３３を同時に発生させることができる。
　一方、図６に実線で示すように、透明板５０５が回動軸６５１を中心に図中半時計回りに回動して、移動方向前方が上方にくる位置（図５の状態と所定の角度（例えば１０度）をなす位置）にあるとき、光学スポット６３２は、粉体スポットつまり加工領域２３１をその後端に含む。このとき、プレヒート領域２３２のみを大きく設けることができる。
　逆に、図６に点線で示すように、透明板５０５が回動軸６５１を中心に図中時計回りに回動して、移動方向後方が上方にくる位置（図５の状態と所定の角度（例えば－１０度）をなす位置）にあるとき、光学スポット６３３は、粉体スポットつまり加工領域２３１をその前端に含む。このとき、ポストヒート領域２３３のみを大きく設けることができる。
　［第４実施形態］
　次に本発明の第４実施形態に係る光加工ヘッドについて、図７および図８を用いて説明する。図７は、本実施形態に係るシリンドリカルレンズユニット７００の構成とその作用を説明するための拡大斜視図である。図８は、シリンドリカルレンズユニット７００の動作を説明するための模式図である。本実施形態に係る光加工ヘッドは、上記第２実施形態と比べると、シリンドリカルレンズ７１１よりも光源側に、シリンドリカルレンズ７１１に入射する平行光２１０を透過させる透明板７０５を有する点で異なる。さらに、本実施形態では、平行光２１０を屈折させるため、平行光２１０と透明板７０５とのなす角度を変化させる不図示の傾斜部も有している。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付してその詳しい説明を省略する。
　本実施形態の透明板７０５も、第３実施形態の透明板５０５と同様に回動するが、その方向が異なる。本実施形態では、透明板７０５はシリンドリカルレンズ７１１の中心線７０４と平行な回動軸７５１を中心に回動する。
　図７に実線で示すように、透明板７０５が回動軸７５１を中心に回動して、移動方向右側（図中手前側）が上方にくる位置（図５の状態と所定の角度（例えば１０度）をなす位置）にあるとき、光学スポット７３１は、移動方向２２０と直角をなす方向７２１、つまり図中手前側に移動する。
　一方、図７に点線で示すように、透明板７０５が回動軸７５１を中心に回動して、移動方向左方（図中奥側）が上方にくる位置（図５の状態と所定の角度（例えば－１０度）をなす位置）にあるとき、光学スポット７３１は、移動方向２２０と直角をなす方向７２２、つまり図中奥側に移動する。
　つまり、加工領域の位置を、移動方向２２０と直交する方向に微調整することができる。特に、加工領域がカーブを描いて移動する場合、カーブの内側よりで加工するか、外側よりで加工するかを選択することができる。
　図７に示したように、透明板７０５を傾斜させる場合、光軸位置が奥手前方向にずれてしまう。そこで、図８に示すように、シリンドリカルレンズ７１１を、透明板７０５の角度変化に応じて、移動方向に直交する方向８０１にスライドさせる。つまり、図７に示したガイド７０２、７０３は、シリンドリカルレンズ７１１をスライド可能に支持する。
　以上により、加工中にプレヒートまたはポストヒート、あるいはそれらを同時に行うことができ、さらに、加工領域の位置を移動方向とは別に微調整することができる。これにより、加工品質および精度が向上する。
　［第５実施形態］
　次に本発明の第５実施形態に係る光加工ヘッドについて、図９Ａおよび図９Ｂを用いて説明する。図９Ａは、本実施形態に係る光加工ヘッド９００の構成を説明するための透過斜視図である。図９Ｂは、シリンドリカルレンズユニットの交換を実現する構成を説明するための上面図である。
　本実施形態に係る光加工ヘッド９００は、上記第２実施形態と比べると、異なる種類のシリンドリカルレンズユニットを複数有し、それらのシリンドリカルレンズユニットを交換する機構を有している。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付してその詳しい説明を省略する。
　シリンドリカルレンズ９０１は、第２～第４実施形態のシリンドリカルレンズ２１１、５１１、７１１と同様の構成を有し、光加工ヘッド９００内に設けられている。一方、シリンドリカルレンズ９０２は、回転機構９０５で、光加工ヘッド９００の外側に移動可能である。シリンドリカルレンズ９０３も、同じ回転機構９０５に固定されており、シリンドリカルレンズ９０２、９０３は、交換可能となっている。さらに、シリンドリカルレンズが設けられていない円筒部９４０が回転機構９０５に固定されている。つまり、シリンドリカルレンズ９０２、９０３が設けられたシリンドリカルレンズユニット９２０、９３０は、シリンドリカルレンズが設けられていない円筒部９４０とも交換可能となっている。
　回転機構９０５が回転することにより、光軸上にシリンドリカルレンズ９０１のみの構成、光軸上にシリンドリカルレンズ９０１、９０２を有する構成、光軸上にシリンドリカルレンズ９０１、９０３を有する構成の３つの態様をとることができる。
　上述したように、シリンドリカルレンズ９０１は、平行光を加工面において楕円状の光学スポットに変換するが、異なる方向の中心線を有するシリンドリカルレンズ９０２と組み合わせることにより、楕円のアスペクト比を小さくすることができる。さらに、曲率の異なるシリンドリカルレンズ９０３を組み合わせることにより、アスペクト比の縮小率は調整可能である。アスペクト比の最小は１であり、このとき、光学スポットは円になる。
　第３、第４実施形態と同様に、シリンドリカルレンズ９０１の上流に透明板を設けてもよい。透明板を傾斜機構で保持し、傾斜機構を回動機構によって保持すれば、第３、第４実施形態と同様に、光学スポットの位置や、プレヒートとポストヒートの割合を自在に調整することが可能となる。
　以上より、本実施形態によれば、光学スポットは円状にも楕円状にも変更でき、光学スポットを加工に合わせて選択的できる。この選択性により、加工の最適化が可能となり、加工精度が向上するという効果がある。
　［第６実施形態］
　本発明の第６実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)１０００について、図１０を用いて説明する。光加工装置１０００は、上述の実施形態で説明した光加工ヘッド１００、２００、５００、９００のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で材料を溶融することにより三次元的な造形物（あるいは肉盛溶接）を生成する装置である。ここでは一例として、光加工ヘッド２００を備えた光加工装置１０００について説明する。
　《装置構成》
　光加工装置１０００は、光加工ヘッド２００以外に光源１００１、光伝送部２１５、冷媒供給装置１００３、冷媒供給部１００４、ステージ１００５、材料収容装置１００６、材料供給部２５０、ガス供給装置１００８、およびガス供給部２４０を備えている。
　光源１００１としては、例えば、レーザ光源、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。レーザ光源の場合、光線の波長は例えば1060nmであるが、これに限るものではなく、光は加工面２６０に吸収されるものならば何でもよい。
　光伝送部２１５は、例えばコア径がφ0.01～1ｍの光ファイバであり、光源１００１で発生した光を光加工ヘッド２００に導く。光伝送部２１５のコア径が入射端２１２の直径となる。冷媒供給装置１００３は、冷媒として例えば水を貯蔵し、ポンプで、冷媒を冷媒供給部１００４に供給する。
　冷媒供給部１００４は内径φ２から６の樹脂あるいは金属のホースである。冷媒を光加工ヘッド２００内に供給し、その内部で循環させ、冷媒供給装置１００３に戻すことにより、光加工ヘッド２００の昇温を抑えている。冷媒の供給量は例えば１～１０Ｌ/minである。
　ステージ１００５は、Ｘステージ、あるいはＸＹステージ、あるいはＸＹＺステージである。ＸＹＸの各軸は駆動することが可能である。材料収容装置１００６は、光加工ヘッド２００に対し、材料供給部２３０を介して材料を含むキャリアガスを供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子などの粒子である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、でよい。
　材料供給部２５０は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流を光加工ヘッドへと導く。ただし、材料が線材の場合は、キャリアガスは不要となる。
　ガス供給装置１００８は、ガス供給部２４０を介して光加工ヘッド２００にパージガスを供給する。パージガスは例えば窒素、またはアルゴン、またはヘリウム、である。しかし、パージガスはこれに限定されるものではなく、不活性ガスならば他のガスでもよい。光加工ヘッド２００に供給されたパージガスは、上記で述べた光線に沿ってノズル２０３先端から射出される。
　また図示はしていないが、光加工装置１０００は、光加工ヘッド２００の姿勢および位置を制御する姿勢制御機構および位置制御機構を備えてもよく、その場合、光加工ヘッド２００の姿勢および位置を変えて、加工面上の加工領域を移動させる。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、光加工ヘッド２００を固定しつつ、ステージ１００５の姿勢および位置を変えて、加工面上の加工領域を移動させてもよい。
　《装置動作》
　次に、光加工装置１０００の動作について説明する。造形物１０１０は、ステージ１００５の上で作成される。光加工ヘッド２００から射出される射出光は、造形物１０１０上の加工面２６０において集光される。加工面２６０は、集光によって昇温され、溶融され、一部に溶融プールを形成する。
　材料はノズル２０３から加工面２６０の溶融プールへと射出される。そして、溶融プールに材料が溶け込む。その後、溶融プールが冷却され、固化することで加工面２６０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。
　パージガスはノズル２０３から加工面２６０へと射出される。そのため、溶融プールの周辺環境はパージガスによってパージされる。パージガスとして酸素を含まない不活性ガスを選ぶことにより、加工面２６０の酸化を防ぐことができる。
　光加工ヘッド２００は、冷媒供給装置１００３から冷媒供給部１００４を介して供給された冷媒によって冷却され、加工中の昇温が抑えられる。
　以上の一連の動作と同時に、光加工ヘッド２００を加工面２６０に沿って移動することにより、材料を堆積させながら所望の造形を行うことができる。つまり、本装置によって肉盛溶接あるいは三次元造形を作成できる。
　［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、本願発明の範疇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。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する制御プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (10)

  1. 　光源からの光を集光させることにより形成された光学スポットを加工面上において所定の移動方向に移動させつつ加工する光加工ヘッドであって、
    　前記光源からの光を集光させて、前記移動方向に伸長した形状の前記光学スポットを生成する第１光学素子を備え、
    　前記光学スポットの一部を加工領域とし、
    　前記加工領域の移動方向前方および／または後方をプレヒート領域および／またはポストヒート領域として、その領域における加工前および／または加工後の加工対象物を加熱することを特徴とする光加工ヘッド。
  2. 　前記光学スポットは、前記移動方向に長軸を有する楕円形状であることを特徴とする請求項１に記載の光加工ヘッド
  3. 　前記第１光学素子は、シリンドリカルレンズまたはトーリックレンズであ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。
  4. 　前記移動方向の変化に追従して前記光学スポットの形状を変化させるため、前記光源からの光の光軸と直角をなす平面内で前記第１光学素子を回動させる回動手段を備えた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。
  5. 　前記第１光学素子よりも前記光源側に配置され、前記第１光学素子に入射する前記光源からの光を透過させる透明板と、
    　前記光源からの光を屈折させるため、前記光源からの光と前記透明板とのなす角度を変化させる傾斜手段と、
    　をさらに備えた請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
  6. 　前記傾斜手段による前記透明板の角度変化に応じて、前記第１光学素子を、前記移動方向に直交する方向にスライドさせるスライド手段をさらに備えた請求項５に記載の光加工ヘッド。
  7. 　前記第１光学素子を透過した光をさらに集光させる第２光学素子を備えた請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光加工ヘッドと、
    　光源と、
    　前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
    　を備えた光加工装置。
  9. 　光源からの光を集光させて形成された光学スポットを加工面上において移動させつつ加工する光加工ヘッドの制御方法であって、
    　前記光加工ヘッドは、前記光源からの光を集光させて、一方向に伸長した形状の前記光学スポットを生成する光学素子を備え、
    　前記光学スポットの一部を加工領域とし、前記加工領域の移動方向前方および／または後方をプレヒート領域および／またはポストヒート領域として、その領域の加工前および／または加工後の加工対象物を加熱するため、前記光学スポットの移動方向に応じて、前記光学素子を回動させる回動ステップを含むことを特徴とする光加工ヘッドの制御方法。
  10. 　光源からの光を集光させることにより形成された光学スポットを加工面上において移動させつつ加工する光加工ヘッドの制御プログラムであって、
    　前記光加工ヘッドは、前記光源からの光を集光させて、一方向に伸長した形状の前記光学スポットを生成する光学素子を備え、
    　前記光学スポットの一部を加工領域とし、前記加工領域の移動方向前方または後方をプレヒート領域またはポストヒート領域として加工前または加工後の加工対象物を加熱するため、前記光学スポットの移動方向に応じて、前記光学素子を回動させる回動ステップをコンピュータに実行させることを特徴とする光加工ヘッドの制御プログラム。
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