WO2017081767A1

WO2017081767A1 - 加工用ノズルおよび光加工装置

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Publication number: WO2017081767A1
Application number: PCT/JP2015/081727
Authority: WO
Inventors: 大野　博司; 佐々木　光夫; 裕司笹木; 聡津野; 豪小原; 智彦山田; 康友塩見; 小原　隆
Original assignee: 技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2017-05-18
Also published as: EP3189925A4; EP3189925A1; US10220473B2; JPWO2017081767A1; US20170259378A1; JP6123023B1

Abstract

一旦発生した定常流を止めることなく、定常流を維持したまま粉体流の射出または停止の切り替えを行うこと。加工用ノズルであって、粉体を含む流体の供給源と、前記供給源から供給された前記流体が通過する第１流路と、前記流体をノズルの射出口に供給する第２流路と、前記流体を前記ノズルの外部に開放する第３流路と、前記流体を前記射出口に供給する場合に、前記第１流路と前記第２流路とを連通させ、前記流体を前記射出口に供給しない場合に、前記第１流路と前記第３流路とを連通させる切替手段と、を備える。

Description

加工用ノズルおよび光加工装置

　本発明は、加工材料を含む流体に光を照射して造形物を造形する光加工装置において、当該流体を加工点に噴射する加工用ノズルに関する。

　上記技術分野において、特許文献１には、粉体流の流れを止めることにより、ノズルからの粉体流の射出または停止の切り替えを行う技術が開示されている。

米国特許第７２２３９３５号明細書

　しかしながら、上記文献に記載の技術では、ノズルからの粉体流の射出または停止の切り替えの際に、一旦発生した定常流を止めなければならず、定常流を維持したまま粉体流の射出または停止の切り替えを行うことができなかった。

　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、本発明に係る加工用ノズルは、
　粉体を含む流体の供給源と、
　前記供給源から供給された前記流体が通過する第１流路と、
　前記流体をノズルの射出口に供給する第２流路と、
　前記流体を前記ノズルの外部に開放する第３流路と、
　前記流体を前記射出口に供給する場合に、前記第１流路と前記第２流路とを連通させ、前記流体を前記射出口に供給しない場合に、前記第１流路と前記第３流路とを連通させる切替手段と、
　を備える。

　上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
　上記加工用ノズルを用いた。

　本発明によれば、一旦発生した定常流を止めることなく、定常流を維持したまま粉体流の射出または停止の切り替えを行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す概略斜視図であり、加工点に対して粉体流を供給する場合を示す図である。本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す概略斜視図であり、加工点に対して粉体流を供給しない場合を示す図である。本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す概略斜視図である。本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルから粉体流を射出しない場合の粉体流の流れの様子を説明する図である。本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルから粉体流を射出する場合の粉体流の流れの様子を説明する図ある。本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルから粉体流を射出する場合の粉体流の流れの様子を説明する図ある。本発明の第３実施形態に係る加工用ノズルの構成および加工用ノズルから粉体流を射出しない場合の粉体流の流れの様子を説明する図である。本発明の第３実施形態に係る加工用ノズルの構成および加工用ノズルから粉体流を射出する場合の粉体流の流れの様子を説明する図である。本発明の第３実施形態に係る加工用ノズルの構成および加工用ノズルから粉体流を射出する場合の粉体流の流れの様子を説明する図である。本発明の第４実施形態に係る加工用ノズルの備える駆動部の構成の一例を説明する図である。本発明の第５実施形態に係る光加工装置の構成を説明する図である。

　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実施形態としての加工用ノズル１００について、図１および図２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る加工用ノズル１００の構成を示す概略斜視図であり、加工点に対して粉体流を供給する場合を示す図である。図２は、本実施形態に係る加工用ノズル１００の構成を示す概略斜視図であり、加工点に対して粉体流を供給しない場合を示す図である。

　加工用ノズル１００は、光加工装置の先端部に取り付けられ、加工点１８１に対して３次元造形物などの材料である粉体を含む粉体流１７０を供給する部材である。加工用ノズル１００を取り付けられた光加工装置は、加工点１８１に向けて光を集光させ、加工点１８１に供給された粉体流１７０に含まれる粉体を溶融して、３次元造形物の造形や肉盛溶接などを行う。

　図１に示したように、加工用ノズル１００は、供給源１０１と、部品１０２と、部品１０３と、切替部１０４と、ノズルコーン１０５と、回収路１０６とを備える。部品１０２は、流路１２１（第１流路）を有し、部品１０３は、流路１３１（第２流路）と流路１３２（第３流路）とを有し、また、ノズルコーン１０５は、流路１５１と、射出口１５２とを有する。ここで、流路とは、部材に流体が流れる間隙あるいは空孔を設けたものである。部材は金属や樹脂でよいが、これに限定されない。また、流体とは、気体や液体などの流動性を有するもの、あるいはそれらに材料を混ぜたものである。粉体流１７０は流体である。

　供給源１０１は、加工用ノズル１００に対して、３次元造形物などの材料である粉体を含む粉体流１７０を供給する。ここで、粉体流１７０は、不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、窒素などの希ガス）に金属粉体などを混入させたものである。

　光線は、不図示の光学系から照射され、光線経路１６０を通過して、加工点１８１や加工点１８１を含む所定面積の領域に集光される。そして、光線経路１６０には、不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、窒素などの希ガス）も流しており、加工点１８１の酸化を防止したり、加工点１８１から飛散するヒュームなどの異物が加工用ノズル１００の内部へ混入したりするのを防止する。

　切替部１０４は、部品１０２を図示した矢印方向（１９０、１９１）に移動させることにより、流路１２１の連通先の流路を切り替える。すなわち、加工点１８１に対して粉体流１７０を供給したい場合は、切替部１０４は、流路１２１と流路１３１とが連通するように部品１０２を動かす。これとは反対に、加工点１８１に対して粉体流を供給しない場合には、切替部１０４は、流路１２１と流路１３２とが連通するように、部品１０２を動かす。

　このように、切替部１０４を用いて、部品１０２の動きを制御することにより、部品１０２と部品１０３とは、互いにその相対位置を変化させることが可能となる。つまり、部品１０２は、中心軸１８０を回転軸として、時計回りまたは反時計回りに回転させることができる。そして、このように部品１０２を回転させることにより、光加工装置のユーザは、粉体流１７０の供給と非供給とを適宜選択することができる。

　流路１３２はそのまま外部に開放されてもよいが、回収路１０６を介して回収ポッド（不図示）に接続されてもよい。回収ポッドにて粉体流１７０に含まれる粉体を回収すれば、回収した粉体を再利用することができる。一方、流路１３２がそのまま外部に開放されている場合、粉体の利用効率が低下するものの、回収路１０６や回収ポッドが必要ないため、装置全体をコンパクトにできる。

　流路１２１から流路１３１および流路１５１を経て射出口１５２に至る経路、つまり、粉体流１７０を加工点１８１に対して供給する経路の流路抵抗をＲ₁とする。また、流路１２１から流路１３２を経て回収路１０６に流入する直前までの流路抵抗、つまり、粉体流１７０を加工点１８１に対して供給しない場合の経路の流路抵抗をＲ₂とする。そうすると、Ｒ₁およびＲ₂は、
Ｒ₁≧Ｒ₂　・・・　（１）
という関係を満たす。すなわち、流路抵抗は、粉体流１７０を加工点１８１に対して供給する経路の流路抵抗の方が、粉体流１７０を加工点１８１に対して供給しない経路の流路抵抗よりも大きくなっている。

　次に、加工用ノズル１００の動作、および粉体流１７０が加工点１８１に供給される場合の粉体流１７０の流れについて説明する。なお、ここで、各流路の流入口と流出口とは、粉体流１７０の流れに対して上流側を流入口とし、下流側を流出口としている。図１に示したように、切替部１０４により部品１０２を回転させて、流路１２１と流路１３１とを連通させた場合には、流路１２１の流出口と流路１３１の流入口とが対向する位置状態となっている。

　供給源１０１から粉体流１７０を加工用ノズル１００に対して供給すると、供給された粉体流１７０は、まず、流路１２１の流入口から流路１２１へ進入し、流路１２１内を通過し、流路１２１の流出口へと到達する。そして、流路１２１の流出口から流出した粉体流１７０は、次に、流路１３１の流入口から流路１３１へ進入し、流路１３１内を通過し、流路１３１の流出口へと到達する。

　流路１３１の流出口へと到達した粉体流１７０は、流路１５１の流入口から流路１５１へ進入し、流路１５１内を通過し、流路１５１の流出口へと到達する。そして、流路１５１の流出口へと到達した粉体流１７０は、ノズルコーン１０５へと進入し、ノズルコーン１０５内のスリット（不図示）を通過して、射出口１５２から加工点１８１に対して供給される。射出口１５２から射出される粉体流１７０は、加工点１８１へと収束する。

　次に、粉体流１７０が回収路１０６から回収ポッドへと回収される場合の粉体流１７０の流れについて説明する。図２に示したように、切替部１０４により部品１０２を回転させて、流路１２１と流路１３２とを連通させた場合には、流路１２１の流出口と流路１３２の流入口とが対向する位置状態となっている。

　供給源１０１から粉体流１７０を加工用ノズル１００に対して供給すると、供給された粉体流１７０は、まず、流路１２１の流入口から流路１２１へ進入し、流路１２１内を通過し、流路１２１の流出口へと到達する。そして、流路１２１の流出口から流出した粉体流１７０は、次に、流路１３２の流入口から流路１３２へ進入し、流路１３２内を通過し、流路１３２の流出口へと到達する。

　流路１３２の流出口へと到達した粉体流１７０は、回収路１０６の流入口から回収路１０６へ進入し、回収路１０６内を通過し、回収路１０６の流出口へと到達する。そして、回収路１０６の流出口へと到達した粉体流１７０は、回収ポッド（不図示）へ流入して、回収される。このように、流路１２１と流路１３２とが連通している状態では、粉体流１７０は、ノズルコーン１０５へと供給されないので、射出口１５２から射出されず、粉体流１７０の非射出状態となる。

　以上のように、部品１０２を回転させて、流路１２１の連通先を制御することにより、射出口１５２からの粉体流１７０の射出または非射出の切り替えを制御することが可能になる。そして、このように制御することにより、粉体流１７０の無駄な射出を抑制することができるので、粉体の利用効率を向上させることが可能となる。

　また、部品１０２の回転は瞬時に行われるため、例えば、流路１２１と流路１３１とを連通させた状態から、流路１２１と流路１３２とを連通させた状態へと切り替える間であっても、粉体流１７０は流れを止めずに流れ続ける。粉体流１７０が流れ続けるので、粉体流１７０の流れが滞る時間は非常に短くなり、粉体流１７０の流速の大きな変化も生じない。つまり、粉体流１７０が非定常状態、すなわち、粉体流１７０の流れにムラなどが生じ、乱流などが発生する状態になる時間を低減することができ、粉体流１７０の流れを定常状態に保つことが可能となる。これにより、粉体流１７０の流れが非定常状態となることによる粉体収束性の劣化を防ぐことができる。

　流路１２１から流路１３１および流路１５１を経て射出口１５２に至るまでの経路の流路抵抗（Ｒ₁）と、流路１２１から流路１３２および回収路１０６を経て回収ポッド（不図示）に至るまでの経路の流路抵抗（Ｒ₂よりも大きい）とは、等しくすることができる。つまり、流路１２１と流路１３１とを連通させた場合の流路全体の流路抵抗と、流路１２１と流路１３２とを連通させた場合の流路全体の流路抵抗とを等しくすることができる。

　このように流路全体の流路抵抗を等しくすることにより、粉体流１７０の射出時または非射出時において、粉体流１７０の流速を等しくすることが可能となる。これにより、粉体流１７０の射出または非射出を切り替えた場合において、粉体流１７０の流速変化を抑えることができ、粉体流１７０の流れが非定常状態になる時間をさらに低減することができる。以上のように、流路全体の流路抵抗を等しくすることにより、粉体流１７０の流れが非定常状態になることによる、粉体収束性の劣化を防ぐことができる。

　上述のように、粉体流１７０を射出口１５２から射出する場合と、射出しない場合とにおける、流路全体の流路抵抗を等しくできるのは、式（１）が満たされるためである。仮に、回収路１０６をノズルコーン１０５に接続した場合には、流路抵抗は増加する。そのため、式（１）を満たさない場合は、流路抵抗を等しくすることができない。つまり、式（１）が満たされることにより、流路抵抗を等しくすることができ、粉体収束性の劣化を防ぐことが可能となる。

　本実施形態によれば、粉体流の定常状態が途切れる時間を短くし、粉体流の定常状態を維持することができるので、粉体収束性のよい粉体流を加工点に対して供給できる。また、粉体流の射出または非射出を適宜切り替えることができるので、粉体流の無駄な射出を抑制し、粉体利用効率を向上させることができる。

　［第２実施形態］
　次に本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルについて、図３、図４Ａ～図４Ｃを用いて説明する。図３は、本実施形態に係る加工用ノズルの構成を説明するための図である。本実施形態に係る加工用ノズルは、上記第１実施形態と比べると、部品３０２に流路が２つ設けられ、部品３０３に流路が２つ設けられ、駆動部３５０を備える点で異なる。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。

　加工用ノズル３００は、部品３０２と、部品３０３と、駆動部３５０とを備える。部品３０２は、流路３２１（第１流路）および流路３２２（第４流路）を有し、部品３０３は、流路３３１（第２流路）、流路３３２（第３流路）および流路３３３（第６流路）を有する。供給源から供給された粉体流１７０は、部品３０２の流路３２１、３２２を経由し、それらの各流路を通過した各粉体流１７０は部品３０３の流路３３１、３３２、３３３のいずれかを流れる。流路３３１は、加工用ノズル３００のノズルコーン１０５に設けられた流路と繋がっている。

　駆動部３５０は、部品３０２を回転させる。これにより、部品３０２と部品３０３との相対位置を変化(回動)させることができる。駆動部３５０は、加圧用流入口３５１、３５２を有し、加圧用流入口３５１、３５２には加圧用の流体が流入して、駆動部３５０を駆動させて、部品３０２を回転させる。加圧用の流体としては、ガスや油などがあるが、これらには限定されない。また、駆動部３５０は、ガス圧や油圧により駆動する。このように、加圧用の流体を用いて（与圧により）駆動部３５０を駆動させる構成としたので、粉体流１７０に含まれる粉体が駆動部３５０に混入しても、誤作動の発生を抑制することができる。なお、駆動部３５０の駆動方式はガス圧や油圧を用いるものの他に、電気的に制御してもよく、これらには限定されない。

　次に、加工用ノズル３００の動作、および粉体流１７０の流れについて図４Ａ乃至図４Ｃを用いて説明する。図４Ａは、本実施形態に係る加工用ノズル３００から粉体流１７０を射出しない場合（粉体流非射出）の状態を説明する図である。図４Ｂおよび図４Ｃは、本実施形態に係る加工用ノズル３００から粉体流１７０を射出する場合（粉体流射出）の状態を説明する図である。

　図４Ａに示したように、部品３０２の流路３２１と部品３０３の流路３３２とが対向し、部品３０２の流路３２２と部品３０３の流路３３３とが対向する状態では、加工用ノズル３００の射出口１５２からは粉体流１７０は射出されない。

　供給源１０１から粉体流１７０を加工用ノズル３００に対して供給すると、供給された粉体流１７０は、まず、流路３２１、３２２の流入口から流路３２１、３２２へ進入し、流路３２１、３２２内を通過し、流路３２１、３２２の流出口へと到達する。そして、流路３２１、３２２の流出口から流出した粉体流１７０は、次に、流路３３２、３３３の流入口から流路３３２、３３３へ進入し、流路３３２、３３３内を通過し、流路３３２、３３３の流出口へと到達する。

　流路３３２、３３３の流出口から流出した粉体流１７０は、不図示の回収路を通過して回収ポッドなどに回収される。したがって、粉体流１７０は、加工用ノズル３００の射出口１５２からは加工点１８１に対して射出されず、粉体非射出の状態となる。

　図４Ｂに示したように、加圧用流入口３５１から加圧用の流体を流入させて加圧駆動させることにより、部品３０２を反時計回りに回転させて、流路３２１と流路３３２とを対向させ、流路３２２と流路３３１とを対向させた状態とすると、流路３２２に供給された粉体流１７０が、加工用ノズル３００の射出口１５２から射出される。

　供給源１０１から粉体流１７０を加工用ノズル３００に対して供給すると、供給された粉体流１７０は、流路３２１、３２２に供給される。

　そして、流路３２２に供給された粉体流１７０は、流路３２２内を通過した後、流路３２２と連通している流路３３１に流入し、流路３３１内を通過し、ノズルコーン１０５へと進入する。そして、ノズルコーン１０５へと進入した粉体流１７０は、加工用ノズル３００の射出口１５２から射出され、加工点１８１に対して射出される。これにより、流路３２２に供給した粉体流１７０を射出口１５２から射出することができる。

　これに対して、流路３２１に供給された粉体流１７０は、流路３２１内を通過した後、流路３２１と連通している流路３３２に流入し、流路３３２内を通過し、ノズルコーン１０５へとは供給されずに、不図示の回収ポッドなどに回収される。そして、回収ポッドで回収した粉体流１７０に含まれる粉体を再利用することも可能となる。

　図４Ｃに示したように、加圧用流入口３５２から加圧用の流体を流入させて加圧駆動させることにより、部品３０２を時計回りに回転させて、流路３２１と流路３３１とを対向させ、流路３２２と流路３３３とを対向させた状態とすると、流路３２１に供給された粉体流１７０が、加工用ノズル３００の射出口１５２から射出される。

　そして、流路３２１に供給された粉体流１７０は、流路３２１内を通過した後、流路３２１と連通している流路３３１に流入し、流路３３１内を通過し、ノズルコーン１０５へと進入する。そして、ノズルコーン１０５へと進入した粉体流１７０は、加工用ノズル３００の射出口１５２から射出され、加工点１８１に対して射出される。これにより、流路３２１に供給した粉体流１７０を射出口１５２から射出することができる。

　これに対して流路３２２に供給された粉体流１７０は、流路３２２内を通過した後、流路３２２と連通している流路３３３に流入し、流路３３３内を通過し、ノズルコーン１０５へとは供給されずに、不図示の回収ポッドなどに回収される。そして、回収ポッドで回収した粉体流１７０に含まれる粉体を再利用することも可能となる。

　なお、ここで説明した２つの粉体流１７０は、両方とも３次元造形物などの材料である粉体を含む粉体流であってもよいし、どちらか一方は粉体を含まない無粉体流（純粋な希ガス）であってもよい。また、２つの粉体流１７０に含まれる粉体は、それぞれ同じ粉体であってもよいし、異なる粉体であってもよい。２つの粉体流１７０に含まれる粉体を異なる粉体とすれば、異なる２種類の材料を選択的に射出することができる。

　そして、２つの粉体流１７０のうちどちらか一方を無粉体流とすることで、例えば、無粉体流を流している流路を流路３３１と対向させれば、ノズルコーン１０５内の粉体流１７０の流路をクリーニングすることができる。

　なお、上述の説明では、流路３３１がノズルコーン１０５に接続する流路であり、流路３３２、３３３が回収路へ接続する流路であるとして説明をしたが、これらが逆転している構成であってもよい。すなわち、流路３３１が回収路へ接続する流路であり、流路３３２、３３３がノズルコーン１０５に接続する流路であってもよい。

　本実施形態によれば、粉体流の射出、非射出を適宜切り替えることができるので、無駄な粉体の射出を抑えることができ、粉体利用効率を向上させることができる。また、無粉体流を流すことにより、ノズルコーン内の流路をクリーニングすることができる。さらに、駆動部を与圧により制御する構成としたので、誤作動の発生頻度が大幅に減少する。２つの粉体流１７０に含まれる粉体を異なる粉体とすれば、異なる２種類の材料を選択的に射出することができる。

　［第３実施形態］
　次に本発明の第３実施形態に係る加工用ノズルについて、図５Ａ～図５Ｃを用いて説明する。図５Ａは、本実施形態に係る加工用ノズルの構成および加工用ノズルから粉体流１７０Ａ、１７０Ｂを射出しない場合の粉体流１７０Ａ、１７０Ｂの流れの様子を説明する図である。図５Ｂおよび図５Ｃは、本実施形態に係る加工用ノズルの構成および加工用ノズルから粉体流１７０Ａまたは粉体流１７０Ｂを射出する場合の粉体流１７０Ａ、１７０Ｂの流れの様子を説明する図である。本実施形態に係る加工用ノズル５００は、上記第２実施形態と比べると、ノズルコーンに接続する流路を２つ有する点で異なる。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。

　まず、加工用ノズル５００から粉体流１７０Ａ、１７０Ｂを射出しない場合について、図５Ａを用いて説明する。加工用ノズル５００は、部品５０２と、部品５０３とを備える。部品５０２は、流路５２１、５２２を有し、部品５０３は、流路５３１、５３２、５３３、５３４を有する。部品５０２の流路５２１と、流路５２２とは、対称の位置にある。同様に、部品５０３の流路５３１および流路５３３と、流路５３２および流路５３４とは、中心軸１８０を含む面に対して鏡面対称の位置にある。すなわち、部品５０２の流路５２１と、部品５０３の流路５３１、５３３との組と、部品５０２の流路５２２と、部品５０３の流路５３２、５３４との組とは、対称の位置にある。

　そして、図５Ａに示したように、流路５２１と流路５３３とが連通し、流路５２２と流路５３４とが連通している。この状態で、供給源から粉体流１７０Ａ、１７０Ｂを加工用ノズル５００に対して供給すると、供給された粉体流１７０Ａ、１７０Ｂは、流路５２１、５２２を通過して、流路５３３、５３４へ進入する。その後、流路５３３、５３４の流出口から回収ポッド（不図示）などに回収される。したがって、加工用ノズル５００の射出口１５２からは粉体流１７０Ａ、１７０Ｂは射出されない。

　次に、加工用ノズル５００から粉体流１７０Ａを射出する場合について、図５Ｂを用いて説明し、加工用ノズル５００から粉体流１７０Ｂを射出する場合について、図５Ｃを用いて説明する。

　まず、図５Ｂに示したように、部品５０２を駆動部（不図示）により時計回りに回転させて、流路５２２と流路５３２とを連通させ、流路５２１と流路５３３とを連通させる。そうすると、流路５２２に流入した粉体流１７０Ａは、流路５２２内を通過し、ノズルコーン１０５に接続している流路５３２へ進入する。そして、流路５３２に流入した粉体流１７０Ａは、流路５３２を通過した後、通過路５３６に進入し、通過路５３６内を流れ、ノズルコーン１０５内のスリットを通過して、射出口１５２から射出される。

　これに対して、流路５２１に流入した粉体流１７０Ｂは、流路５２１内を通過し、不図示の回収ポッドに連結している流路５３３へ進入する。そして、流路５３３に進入した粉体流１７０Ｂは、回収路などを介して回収ポッドへ回収される。

　同様に、図５Ｃに示したように、部品５０２を駆動部（不図示）により反時計回りに回転させて、流路５２１と流路５３１とを連通させ、流路５２２と流路５３４とを連通させる。そうすると、流路５２１に流入した粉体流１７０Ｂは、流路５２１内を通過し、ノズルコーン１０５に接続している流路５３１へ進入する。そして、流路５３１に流入した粉体流１７０Ｂは、流路５３１を通過した後、通過路５３５に進入し、通過路５３５内を流れ、ノズルコーン１０５内のスリットを通過して、射出口１５２から射出される。

　これに対して、流路５２２に流入した粉体流１７０Ａは、流路５２２内を通過し、不図示の回収ポッドに連結している流路５３４へ進入する。そして、流路５３４に進入した粉体流１７０Ａは、回収路などを介して回収ポッドへ回収される。

　ここで、通過路５３５と通過路５３６とは、射出口１５２に至るまでの流路に関して、流路抵抗が等しくなるように中心軸１８０を含む平面に対して流路を鏡面対称にし、さらにその平面に沿う仕切り板を備えている。このように、射出口１５２に至るまでの各流路を、中心軸１８０を含む平面に対して鏡面対称にすることにより、各流路の流路抵抗を互いに等しくすることができる。これにより、流路５２１側の経路を用いて粉体流１７０Ｂを射出した場合と、経路５２２側の経路を用いて粉体流１７０Ａを射出した場合とで、粉体流１７０Ａの流速と粉体流１７０Ｂの流速とを等しくすることができる。つまり、２つの粉体流１７０Ａ、１７０Ｂを切り替えた場合に、粉体流１７０Ａおよび粉体流１７０Ｂの流速変化を抑制することができ、粉体流１７０Ａおよび粉体流１７０Ｂの流れが非定常状態になる時間を大幅に低減することができる。これにより、粉体流１７０Ａ、１７０Ｂの流れが非定常状態になることによる、加工点１８１における粉体収束性の劣化を防止することができる。さらに、本実施形態においては、粉体流１７０Ａがノズルコーン１０５内に進入するまでの経路と、粉体流１７０Ｂがノズルコーン１０５内に進入するまでの経路とが独立であるので、各径路の粉体によるコンタミ（contamination）を低減することができる。

　なお、ここで説明した２つの粉体流１７０Ａ、１７０Ｂは、両方とも３次元造形物などの材料である粉体を含む粉体流であってもよいし、どちらか一方は粉体を含まない無粉体流（純粋な希ガス）であってもよい。また、２つの粉体流１７０Ａ、１７０Ｂに含まれる粉体は、それぞれ同じ粉体であってもよいし、異なる粉体であってもよい。２つの粉体流１７０Ａ、１７０Ｂに含まれる粉体を異なる粉体とすれば、異なる２種類の材料を選択的に射出することができる。

　本実施形態によれば、上述の構成により、２つの粉体流を適宜切り替えて射出することができる。また、粉体流が非定常状態になる時間を減らすことができるので、粉体収束性の劣化を防ぎ、粉体収束性のよい粉体流を加工点に対して供給することができる。また、２つの粉体流の流路を独立としたので、粉体による流路の汚染を低減できる。

　［第４実施形態］
　次に本発明の第４実施形態に係る加工用ノズルの備える駆動部について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る加工用ノズルの備える駆動部の構成の一例を説明する図である。なお、本実施形態に係る加工用ノズルは、上記第２実施形態に係る加工用ノズルと同様の構成であるので説明は適宜省略する。

　駆動部６００は、２つの駆動部６１０、６２０を備える。本実施形態においては、部品６０２は、２つのパートに分かれており、部品６０２Ａおよび部品６０２Ｂの２つのパートを備えている。そして、部品６０２Ａおよび部品６０２Ｂは、それぞれ駆動部６１０および駆動部６２０により、独立に動かされる。

　駆動部６１０は、加圧用流入口６１１、６１２を有し、駆動部６２０は、加圧用流入口６２１、６２２を備える。これらの加圧用流入口６１１、６１２、６２１、６２２には、加圧用の流体が流入して、ガス圧や油圧により駆動部６１０、６２０を駆動させて、部品６０２Ａおよび部品６０２Ｂを独立に回転させる。

　このような構成とすることで、各駆動部６１０、６２０の駆動距離を短くし、駆動速度を速くすることができる。つまり、これにより、部品６０２Ａおよび部品６０２Ｂの駆動時に、粉体流が非定常状態になる時間を短くすることができ、粉体流が非定常状態になることによる粉体収束性の劣化を防ぐことができる。

　［第５実施形態］
　次に本発明の第５実施形態に係る光加工装置について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る光加工装置７００の構成を説明するための図である。光加工装置７００は、上述の実施形態で説明した加工用ノズル１００、３００、５００のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で粉体流に含まれる材料を溶融することにより三次元造形物を造形したり、肉盛溶接を生成したりする装置である。ここでは一例として、加工用ノズル１００を備えた光加工装置７００について説明する。

　《装置構成》
　光加工装置７００は、光源７０１、光伝送部７１５、ステージ７０５、材料収容装置７０６、材料供給部７３０、加工ヘッド７０８および制御部７０７を備えている。

　光源７０１としては、ここではレーザ光源を用いることとするが、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。材料の溶融に使う光線はレーザ光に限るものではなく、加工点で粉体材料を溶融することができるものであればどのような光線でもよい。例えば、赤外から紫外線領域の電磁波などの光線であってもよい。

　光伝送部７１５は、例えばコア径がφ０．０１～１ｍｍの光ファイバであり、光源７０１で発生した光を加工ヘッド７０８に導く。

　材料収容装置７０６は、加工ヘッド７０８に対し、材料供給部７３０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７３０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加工ヘッド７０８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。

　加工ヘッド７０８は、光線としての光を集束させる集束装置を内部に備え、その集束装置の下流に、加工用ノズル１００が取り付けられている。加工ヘッド７０８に供給されたレーザ光は、内部に設けられたレンズ等からなる光学系を介することで、加工面７６０において集光するように調整されており、加工用ノズル１００内部を経て加工面７６０に照射される。光学系は、レンズ間隔等を制御することで、集光位置を制御可能に設けられている。

　制御部７０７は、細書きまたは太書きなどの造形条件を入力し、入力した造形条件に応じて光源７０１からのレーザ光の出力値を変更すると共に、加工用ノズル１００の外側筐体をスライドさせる。これにより、加工用ノズル１００から射出される粉体による粉体スポット径を溶融プール径に合わせて制御する。

　《装置動作》
　次に、光加工装置７００の動作について説明する。造形物７１０は、ステージ７０５の上で作成される。加工ヘッド７０８から射出される射出光は、造形物７１０上の加工面７６０において集光される。加工面７６０は、集光によって昇温され、溶融され、一部に溶融プール７６１を形成する。

　材料は加工用ノズル１００から加工面７６０の溶融プール７６１へと射出される。そして、溶融プール７６１に材料が溶け込む。その後、溶融プール７６１が冷却され、固化することで加工面７６０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。

　本実施形態によれば、粉体収束性のよい加工用ノズルを用いるので、精度の高い光加工を行うことができる。

　［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。

Claims

　粉体を含む流体の供給源と、
　前記供給源から供給された前記流体が通過する第１流路と、
　前記流体をノズルの射出口に供給する第２流路と、
　前記流体を前記ノズルの外部に開放する第３流路と、
　前記流体を前記射出口に供給する場合に、前記第１流路と前記第２流路とを連通させ、前記流体を前記射出口に供給しない場合に、前記第１流路と前記第３流路とを連通させる切替手段と、
　を備える、加工用ノズル。
　前記切替手段は、前記第１流路が設けられた第１部品と、前記第２流路および前記第３流路が設けられた第２部品との相対位置を変位させて、前記第１流路を、前記第２流路および前記第３流路のいずれか一方に連通させる、請求項１に記載の加工用ノズル。
　前記第１部品および前記第２部品は、相対的に回動可能に設けられている、請求項２に記載の加工用ノズル。
　前記供給源は、複数の流体を供給し、
　前記供給源から供給された前記流体が通過する第４流路と、
　前記流体を前記ノズルの外部に開放する第６流路と、をさらに備え、
　前記切替手段は、
　　前記流体を前記第１流路から前記射出口に供給する場合に、前記第１流路と前記第２流路とを連通し、前記第４流路と前記第６流路とを連通させ、
　　前記流体を前記第４流路から前記射出口に供給する場合に、前記第４流路と前記第２流路とを連通させ、前記第１流路と前記第３流路とを連通させる、
　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
　前記供給源は、複数の流体を供給し、
　前記供給源から供給された前記流体が通過する第４流路と、
　前記流体を前記射出口に供給する第５流路と、
　前記流体を前記ノズルの外部に開放する第６流路と、をさらに備え、
　前記切替手段は、
　　前記流体を前記第１流路から前記射出口に供給する場合に、前記第１流路と前記第２流路とを連通し、前記第４流路と前記第６流路とを連通させ、
　　前記流体を前記第４流路から前記射出口に供給する場合に、前記第４流路と前記第５流路とを連通させ、前記第１流路と前記第３流路とを連通させる、
　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
　光源からの光線を通過させる光線経路をさらに備え、
　前記第２流路と前記第５流路とは、前記光線経路の中心軸を含む面に対し、鏡面対称に配置された請求項５に記載の加工用ノズル。
　前記複数の流体の少なくとも１つは、粉体を含まない請求項４または５に記載の加工用ノズル。
　前記第１流路と前記第４流路とは、異なる粉体を含む流体が供給される請求項４または５に記載の加工用ノズル。
　前記第３流路の流路抵抗は、前記第２流路から前記射出口までの流路抵抗よりも小さい請求項１乃至８のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
　前記第３流路に接続し、前記流体を回収する回収手段をさらに備え、
　前記第３流路から前記回収手段までの流路抵抗は、前記第２流路から前記射出口までの流路抵抗と等しい請求項１乃至９のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
　請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の加工用ノズルを用いた光加工装置。