WO2019088105A1 - 積層造形用ノズル、及び積層造形装置 - Google Patents

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WO2019088105A1
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inert gas
nozzle
honeycomb
porous
header
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PCT/JP2018/040346
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慧 東
吉田 和弘
小松 由尚
孝直 小牧
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a layered manufacturing nozzle and a layered manufacturing apparatus.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2017-210659, filed Oct. 31, 2017, the content of which is incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 discloses a layered manufacturing apparatus including a chamber, an inert gas supply unit, a fume collector, a stage, a recoater, an elevating unit, and a laser beam irradiation unit.
  • the inert gas supply unit supplies an inert gas into the chamber.
  • the fume collector aspirates the inert gas and removes the fumes.
  • On the upper surface of the stage a powder bed in which a metal powder layer is laminated is formed.
  • the recoater forms a metal powder layer by supplying the metal powder to the upper surface side of the stage.
  • the elevation unit moves the stage downward.
  • a laser beam irradiation part models a modeling part by irradiating a laser beam to a metal powder layer.
  • an object of this invention is to provide the nozzle for lamination modeling which can supply the inert gas of a uniform flow velocity to a modeling area, and a lamination modeling apparatus.
  • a layered modeling nozzle which supplies inactive gas to a modeling area in a chamber where layered modeling is performed
  • the header extends in the width direction and communicates with the header through which the inert gas is introduced from the outside, and the header across the width direction, and the inert gas supplied from the header is horizontal to the modeling area
  • a honeycomb body that divides the inside of the nozzle body into a plurality of flow paths through which the inert gas flows, and the nozzle body is disposed on the downstream side of the honeycomb portion, and the plurality of flow paths
  • the inert gas which has passed through, and having a blowout portion communicating in the width direction, and a porous portion disposed between the honeycomb portion and the blowout portion, the porous portion
  • the plurality have a opening that is smaller opening area than the cross-sectional area of the flow path perpendicular to a flow direction of the inert gas.
  • the velocity component of the inert gas in the direction perpendicular to the direction in which the flow channels extend is reduced by having the honeycomb section that divides the nozzle body into a plurality of flow channels in which the inert gas flows. It is possible to reduce secondary flow components such as swirling.
  • a porous portion having a plurality of openings with an opening area smaller than the cross-sectional area of the flow path orthogonal to the flow direction of the inert gas resistance is loaded on the inert gas passing through the openings. It is possible to reduce the flow velocity deviation of the inert gas.
  • the flow path length of the flow path may be larger than the equivalent diameter of the flow path.
  • the porous portion may be a porous plate.
  • the flow path can be subdivided, so that the scale of the vortex can be reduced and the disturbance of the inert gas can be suppressed.
  • the porous portion may be a metal mesh member.
  • a metal mesh member as the porous portion, it is possible to reduce the width of the frame that divides the plurality of openings, as compared to the case where the porous plate is used. This makes it possible to further reduce the scale of the vortices, thereby further suppressing turbulence of the inert gas. Further, by using a metal mesh member as the porous portion, it is possible to shorten the distance until the variation of the inert gas caused by the vortex (wake) is attenuated. Thereby, the length of the blowing part arrange
  • the porous portion may be a foam metal member.
  • the metal foam member as the porous portion, it is possible to obtain the same effect as in the case of using the metal mesh member.
  • a separation suppressing portion for connecting the header and the honeycomb portion is provided between the header and the honeycomb portion, and the honeycomb is provided.
  • the portion may be inclined at an angle smaller than the peeling suppression portion.
  • the blowout unit includes a lower plate portion perpendicular to the vertical direction and an upper plate portion disposed above the lower plate portion.
  • the upper plate portion is formed on the lower plate portion so as to reduce the flow path cross-sectional area of the flow path formed in the blowout portion as it goes from the honeycomb portion to the blowout port of the blowout portion. It may be inclined to the side.
  • a lamination modeling device which models a modeling article by making metal powder fuse and sinter, and it is a nozzle for the above-mentioned lamination modeling
  • a nozzle main body insertion opening and an outlet are formed in the lower part, and a chamber in which the nozzle main body insertion opening and the outlet are disposed opposite to each other, a modeling area is disposed on the upper surface side, and moves in the vertical direction
  • Metal powder by irradiating a laser beam to a possible stage, a recoater provided in the chamber and supplying metal powder to the upper surface of the stage, and the metal powder deposited on the upper surface of the stage
  • dissolve may be provided, and the nozzle main body of the nozzle for layered modeling may be arrange
  • the layered manufacturing apparatus having such a configuration can supply an inert gas at a uniform flow rate to the modeling area by having the above-described layered manufacturing nozzle. Moreover, it becomes possible to supply the inert gas of a uniform flow velocity to a modeling area, and it can improve the quality of the modeling article which a layered modeling apparatus models.
  • a layered manufacturing apparatus 10 will be described with reference to FIGS.
  • a direction is the movement direction of the inert gas blown out from the first layered manufacturing nozzle 21 (hereinafter referred to as “A direction”)
  • B is the inertness blown out from the second layered manufacturing nozzle 24.
  • the moving direction of gas hereinafter referred to as “direction B”)
  • C is an inert gas exhausted from the chamber main body 26 of the chamber 11
  • metal vapor also referred to as “fume”
  • metal scattering also referred to as “sputter”
  • C direction Direction of movement
  • ⁇ 1 indicates an inclination angle (hereinafter referred to as “angle ⁇ 1 ”) of the peeling suppression portion 51 with respect to the XY plane (a plane including the X direction and the Y direction).
  • ⁇ 2 is an inclination angle (hereinafter referred to as “angle ⁇ 2 ”) of the honeycomb portion 52 with respect to the XY plane (plane including X direction and Y direction), and M is a flow of the flow path 62 shown in FIG.
  • the path lengths (hereinafter referred to as “flow path lengths M”) are shown.
  • FIG. 2 the same components as in the structure shown in FIG. In FIGS. 3 to 5, the same components as those of the structure shown in FIG.
  • the Z direction indicates the vertical direction.
  • the X direction shown in FIGS. 1 and 2 is a direction orthogonal to the Z direction, and a direction in which the nozzle body insertion opening 33A formed in the chamber 11 shown in FIG. It shows.
  • the Y direction shown in FIGS. 3 to 5 indicates the width direction of the chamber 11 orthogonal to the X direction and the Z direction.
  • the layered modeling apparatus 10 includes a chamber 11, a stage 13, a support member 15, an elevation driving unit (not shown), a recoater 17, a laser irradiation unit 19, a first layered modeling nozzle 21, and 1 has an inert gas supply line 22, a second additive manufacturing nozzle 24, and a second inert gas supply line (not shown).
  • the chamber 11 has a chamber main body 26 and a lift mechanism accommodating portion 28.
  • the chamber body 26 has a bottom plate 31, a top plate 32, side plates 33 and 34, and a space 36.
  • the bottom plate 31 has an opening 31 ⁇ / b> A at the center to receive the stage 13.
  • the top plate 32 is disposed above the bottom plate 31 in a state of being separated from the bottom plate 31.
  • the top plate 32 faces the bottom plate 31 in the Z direction.
  • the top 32 has a window that can transmit the laser light L.
  • the side plates 33 and 34 are provided between the bottom plate 31 and the top plate 32.
  • the side plates 33 and 34 are disposed to face each other in the X direction.
  • the lower ends of the side plates 33 and 34 are connected to the outer peripheral edge of the bottom plate 31, respectively.
  • the upper ends of the side plates 33 and 34 are connected to the outer peripheral edge of the top plate 32, respectively.
  • nozzle main body insertion openings 33A and 33B are formed in the side plate 33.
  • the nozzle body insertion opening 33A is formed to penetrate the lower portion of the side plate 33 (specifically, a portion near the bottom plate 31).
  • the nozzle body insertion opening 33A extends in the Y direction.
  • the nozzle body insertion opening 33B is formed to penetrate the upper portion of the side plate 33 (specifically, a portion near the top plate 32).
  • the nozzle body insertion opening 33B extends in the Y direction.
  • the side plate 34 is formed with an outlet 34A.
  • the outlet 34A penetrates the lower portion of the side plate 34 (specifically, a portion near the bottom plate 31) and is formed to face the nozzle main body insertion opening 33A. Thus, the outlet 34A extends in the Y direction.
  • the outlet 34A is an opening for leading an inert gas, metal vapor (also referred to as “fume”), and metal scattering (also referred to as "sputter”) to the outside of the chamber main body 26.
  • a pair of side plates (not shown) is disposed to face each other.
  • the pair of side plates is connected to the bottom plate 31, the top plate 32, and the side plates 33 and 34.
  • the elevating mechanism accommodating portion 28 has a tubular shape and is disposed below the chamber main body 26. The upper end of the lifting mechanism accommodating portion 28 is connected to the inner edge of the bottom plate 31.
  • the elevating mechanism accommodating portion 28 divides the columnar space 28A inside thereof.
  • the columnar space 28 ⁇ / b> A is sized to accommodate the stage 13.
  • the stage 13 is a plate-like member, and has an upper surface 13 a and a lower surface 13 b.
  • the upper surface 13a is flat.
  • a plurality of layers (hereinafter referred to as "metal powder layers”) on which the metal powder is deposited is stacked on the upper surface 13a to form the powder stacked portion 14 including the plurality of metal powder layers.
  • the powder lamination part 14 becomes a material at the time of forming a modeling article.
  • the metal powder layer is irradiated with laser light L to melt and sinter the metal powder layer, and the stage moves downward by the thickness of the layer on which the metal powder is deposited. Then, after making a new metal powder layer, the metal powder layer is irradiated with laser light L to melt the metal powder, and at the stage where the metal powder is sintered, move downward by the thickness of the metal powder layer Do. That is, as the processing by the laser beam L proceeds, the stage 13 moves downward little by little.
  • the modeling area R in which a modeling article is formed is arranged on the upper surface 13a of the stage 13 and the area above it.
  • the support member 15 extends downward (in the Z direction) of the stage 13 in a state where one end of the support member 15 is connected to the lower surface 13 b side of the stage 13.
  • the elevation drive unit (not shown) is a drive unit for moving the support member 15 in the Z direction.
  • the recoater 17 is accommodated in the chamber body 26.
  • the recoater 17 is disposed above the bottom plate 31.
  • the recoater 17 is configured to be movable in the depth direction shown in FIG. 1 (the Y direction shown in FIGS. 3 to 5).
  • the recoater 17 forms a metal powder layer by dropping the metal powder to the shaping area R on the stage 13 while moving in the Y direction.
  • the recoater 17 stands by at the outside of the shaping area R.
  • the laser irradiation unit 19 is disposed above the top 32.
  • the laser irradiation unit 19 melts the metal powder by irradiating the metal powder layer formed on the upper surface 13 a of the stage 13 with the laser light L.
  • the molten metal powder becomes a part of a shaped article by being solidified.
  • FIG. 1 illustrates the case where the laser irradiation unit 19 is disposed outside the chamber main body 26 (specifically, above the top plate 32) as an example, the inside of the chamber main body 26 is described.
  • the laser irradiation unit 19 may be disposed in (space 36).
  • the first layered manufacturing nozzle 21 has a header 41 and a nozzle body 43.
  • the header 41 has a header body 45, a gas inlet 45A, and a gas outlet 45B.
  • the header body 45 is a tubular member and extends in the Y direction. Inside the header body 45, a columnar space 41A extending in the Y direction is formed.
  • the gas inlet 45 ⁇ / b> A is formed in a portion of the header body 45 connected to the first inert gas supply line 22.
  • the gas inlet 45A is formed to extend in the Y direction.
  • the inert gas supplied by the first inert gas supply line 22 is introduced into the gas inlet 45A.
  • the gas outlet 45B is formed in the header main body 45 located on the opposite side of the gas inlet 45A.
  • the gas outlet 45B is formed to extend in the Y direction.
  • the gas outlet 45 B is connected to the nozzle body 43.
  • the gas outlet 45 ⁇ / b> B guides the inert gas introduced into the columnar space 41 ⁇ / b> A to the nozzle body 43.
  • the nozzle body 43 is fixed to the side plate 33 in a state of being inserted into the nozzle body insertion opening 33A.
  • the nozzle main body 43 has a separation suppressing portion 51, a honeycomb portion 52, a connecting portion 53, a porous portion 54, and a blowout portion 55.
  • Peeling suppression portion 51 is provided between header body 45 and honeycomb portion 52. One end of the separation suppressing portion 51 is connected to the header body 45, and the other end is connected to the honeycomb portion 52.
  • the peeling suppression portion 51 extends in the Y direction.
  • the space 51A formed in the peeling suppression portion 51 communicates with the plurality of flow paths 62 formed in the honeycomb portion 52 and the columnar space 41A.
  • the peeling suppressing portion 51 is a path for leading the inert gas led out from the gas outlet 45 B to the honeycomb portion 52.
  • Separation preventing portion 51 extends in a direction inclined at an angle theta 1 with respect to the XY plane.
  • the honeycomb portion 52 is provided between the peeling suppression portion 51 and the connection portion 53. One end of the honeycomb portion 52 is connected to the peeling suppression portion 51, and the other end is connected to the connecting portion 53.
  • the honeycomb unit 52 is inclined at an angle theta 2 to the XY plane.
  • the honeycomb portion 52 extends in the Y direction.
  • the honeycomb portion 52 has a frame portion 61 and a plurality of flow paths 62 partitioned by the frame portion 61.
  • the plurality of flow paths 62 communicate with the space 51A and a space (not shown) formed in the connecting portion 53.
  • the inert gas that has passed through the peeling suppression unit 51 is introduced into the plurality of flow channels 62.
  • the inert gas that has passed through the flow path 62 is led out into the connection portion 53.
  • the honeycomb portion 52 configured in this way, the velocity component of the inert gas in the direction perpendicular to the direction in which the flow channel 62 extends is reduced, and secondary flow components such as swirling are reduced. It becomes possible.
  • the flow path length M of the flow path 62 may be, for example, larger than the equivalent diameter of the flow path 62.
  • the velocity component of the inert gas in the direction perpendicular to the extending direction of the flow path is sufficiently reduced.
  • secondary flow components such as swirling can be sufficiently reduced.
  • the angle theta 2 is an inclined angle of the honeycomb unit 52 may, for example, may be smaller than the angle theta 1 is an inclined angle of the separation suppressing portion 51.
  • the flow direction of the inert gas flowing from the peeling suppressing portion 51 into the plurality of flow channels 62 of the honeycomb portion 52 changes rapidly. Can be suppressed. In other words, the flow of the inert gas can be made to approach stepwise horizontally. Thereby, disturbance or loss of the inert gas in the vicinity of the boundary between the separation suppressing portion 51 and the honeycomb portion 52 can be suppressed. In addition, space saving can be realized by providing the honeycomb portion 52 with a function as a guide blade.
  • the shape of the flow path 62 is not limited to this.
  • a shape of the plurality of flow channels 62 for example, a cylindrical shape, a hexagonal prism shape, or the like may be used.
  • the connecting portion 53 extends in the X direction, and is provided between the honeycomb portion 52 and the porous portion 54.
  • the connecting portion 53 has one end connected to the honeycomb portion 52, and the connecting portion 53 has a flange portion 53A disposed on the other end side.
  • the connecting portion 53 supplies the porous portion 54 with the inert gas that has passed through the honeycomb portion 52.
  • the porous portion 54 is provided on the downstream side of the honeycomb portion 52.
  • the porous portion 54 is fixed in a state of being sandwiched between the flange portion 53A of the connection portion 53 and the flange portion 75 of the blowout portion 55.
  • the porous portion 54 is disposed between the honeycomb portion 52 and the blowout portion 55.
  • As the porous portion 54 for example, it is possible to use a porous plate 65 having a plurality of openings 67 partitioned by the frame 68.
  • the plurality of openings 67 have an opening area smaller than the cross-sectional area of the flow passage 62 orthogonal to the flow direction of the inert gas.
  • the inert gas supplied to the porous plate 65 passes through the opening 67 and is then led out to the blowout part 55.
  • the porous plate 65 having the above-described configuration as the porous portion 54 it is possible to load the inert gas passing through the opening 67 formed in the porous plate 65 with resistance. Thereby, the flow velocity deviation of the inert gas can be reduced.
  • the blowout portion 55 is disposed downstream of the porous portion 54.
  • the blowout unit 55 has a flow passage 55A through which the inert gas that has passed through the porous portion 54 flows, and a blowout opening 55B that blows out the inert gas that has passed through the flow passage 55A into the chamber main body 26.
  • the flow path 55A has no partition in the Y direction and is in communication. That is, only one flow channel 55A exists.
  • the blowout port 55B in communication with the flow path 55A has no partition in the Y direction and is in communication. That is, only one air outlet 55B is present.
  • the blowout portion 55 has a lower plate portion 71, an upper plate portion 72, side plate portions 73, 74, and a flange portion 75 that separate the flow path 55A and the blowout port 55B.
  • the lower plate portion 71 has an upper surface 71a orthogonal to the Z direction.
  • the upper plate portion 72 is disposed above the lower plate portion 71.
  • the upper plate portion 72 is inclined with respect to the lower plate portion 71 so as to reduce the flow passage cross-sectional area of the flow passage 55A as it goes from the honeycomb portion 52 to the outlet 55B of the blowout portion 55.
  • the upper plate portion 72 is inclined with respect to the upper surface 71a of the lower plate portion 71, and has a lower surface 72a that divides the upper surface side of the flow path 55A and the air outlet 55B.
  • the inert gas can be blown out horizontally to the modeling area R.
  • the side plate portion 73 is arranged to connect one end of the lower plate portion 71 and the upper plate portion 72 in the Y direction.
  • the side plate portion 74 is arranged to connect the other end of the lower plate portion 71 and the upper plate portion 72 in the Y direction.
  • the side plate portions 73 and 74 are disposed to face each other in a separated state in the Y direction.
  • the flange portion 75 is provided at the end on which the porous portion 54 is disposed.
  • the flange portion 75 is a portion for arranging the porous portion 54 with the flange portion 53A.
  • the first inert gas supply line 22 is a line for introducing an inert gas supplied from an inert gas supply source to the columnar space 41A.
  • the second layered manufacturing nozzle 24 is inserted into the nozzle body insertion opening 33B.
  • the second additive manufacturing nozzle 24 is connected to a second inert gas supply line.
  • the second layered manufacturing nozzle 24 blows off an inert gas in the horizontal direction (direction B).
  • the second layered manufacturing nozzle 24 blows out the same type of inert gas as the nozzle body 43.
  • the second inert gas supply line is connected to an inert gas supply not shown.
  • the second inert gas supply line is a line for introducing the inert gas supplied from the inert gas supply source to the second additive manufacturing nozzle 24.
  • the direction in which the flow path 62 extends is provided by having the honeycomb portion 52 that divides the inside of the nozzle body 43 into the plurality of flow paths 62 through which the inert gas flows. It is possible to reduce the velocity component of the inert gas in the vertical direction to reduce the secondary flow component such as swirl.
  • the porous portion 54 having a plurality of openings 67 whose opening area is smaller than the cross-sectional area of the flow passage 62 orthogonal to the flow direction of the inert gas, the inert gas passing through the openings 67 Resistance can be applied to reduce the flow velocity deviation of the inert gas. Further, by having the porous portion 54, the flow path can be subdivided, and the scale of the vortex can be reduced to suppress the disturbance of the inert gas. Therefore, by having the honeycomb part 52 and the porous part 54 mentioned above, the inert gas of a uniform flow velocity can be supplied to a modeling area.
  • an inert gas with a uniform flow rate can be supplied to the modeling area R. Moreover, it becomes possible to supply the inert gas of a uniform flow velocity to modeling area R, and it can improve the quality of the modeling article which layered modeling device 10 models.
  • a metal mesh member 86 may be used as the porous portion.
  • the metal mesh member 86 has a frame (not shown), and a metal mesh portion disposed inside the frame and including a metal frame 87 and a plurality of openings 88.
  • the metal frame 87 is configured to be narrower than the frame 68 shown in FIG.
  • the plurality of openings 88 have an opening area smaller than the cross-sectional area of the flow path 62 (see FIG. 3) orthogonal to the flow direction of the inert gas.
  • the width of the metal frame 87 that divides the plurality of openings 88 can be reduced as compared to the case where the porous plate 65 is used. This makes it possible to further reduce the scale of the vortices, thereby further suppressing turbulence of the inert gas. Furthermore, by using the metal mesh member 86 configured as described above, it is possible to shorten the distance until the variation of the inert gas due to the vortex (wake) attenuates. Thereby, the length (length in the X direction) of the blowout portion 55 disposed downstream of the metal mesh member 86 can be shortened.
  • a foam metal member may be used as the porous portion. In this case, the same effect as in the case of using a metal mesh member can be obtained.
  • the present invention is applicable to a layered manufacturing nozzle and a layered manufacturing apparatus.

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Abstract

チャンバの幅方向に延びており、外部から不活性ガスが導入されるヘッダ(41)と、幅方向にわたってヘッダ(41)に連通するとともに、ヘッダ(41)から供給された不活性ガスを造形エリアに対して水平に吹き出すノズル本体(43)と、を備え、ノズル本体(43)は、ノズル本体(43)内を不活性ガスが流れる複数の流路に区画するハニカム部(52)と、ハニカム部(52)の下流側に配置され、複数の流路を通過した不活性ガスが導かれ、幅方向において連通する吹出部(55)と、ハニカム部(52)と吹出部(55)との間に配置され、かつ複数の開口部を有する多孔部(54)と、を有する。

Description

積層造形用ノズル、及び積層造形装置
 本発明は、積層造形用ノズル、及び積層造形装置に関する。
 本願は、2017年10月31日に、日本に出願された特願2017-210659号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 金属材料粉体をレーザ光によって溶融、焼結させる際には、積層造形装置が用いられている(例えば、特許文献1参照)。
 特許文献1には、チャンバと、不活性ガス供給部と、ヒュームコレクタと、ステージと、リコータと、昇降部と、レーザ光照射部と、を備えた積層造形装置が開示されている。
 不活性ガス供給部は、チャンバ内に不活性ガスを供給する。ヒュームコレクタは、不活性ガスを吸引するとともに、ヒュームを除去する。ステージの上面には、金属粉末層が積層された粉末床が形成されている。
 リコータは、ステージの上面側に金属粉末を供給することで、金属粉末層を形成する。造形品の造形時において、昇降部は、ステージを下方に移動させる。レーザ光照射部は、金属粉末層にレーザ光を照射することで、造形部を造形する。
特開2017-48407号公報
 ところで、不活性ガス供給部の幅方向において、不活性ガス供給部(ヘッダ及びノズル本体)から吹き出される不活性ガスの流速や向きが異なると、金属粉末の乱れやヒュームやスパッタの除去性能のエリア毎の差が発生する恐れがあった。
 そこで、本発明は、造形エリアに均一な流速の不活性ガスを供給することの可能な積層造形用ノズル、及び積層造形装置を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る積層造形用ノズルによれば、積層造形が行われるチャンバ内の造形エリアに不活性ガスを供給する積層造形用ノズルであって、前記チャンバの幅方向に延びており、外部から前記不活性ガスが導入されるヘッダと、前記幅方向にわたって前記ヘッダに連通するとともに、前記ヘッダから供給された前記不活性ガスを前記造形エリアに対して水平に吹き出すノズル本体と、を備え、前記ノズル本体は、該ノズル本体内を前記不活性ガスが流れる複数の流路に区画するハニカム部と、前記ハニカム部の下流側に配置され、前記複数の流路を通過した前記不活性ガスが導かれ、前記幅方向において連通する吹出部と、前記ハニカム部と前記吹出部との間に配置された多孔部と、を有し、前記多孔部は、前記不活性ガスの流れ方向に対して直交する前記流路の断面積よりも小さい開口面積とされた開口部を複数有する。
 本発明によれば、ノズル本体内を不活性ガスが流れる複数の流路に区画するハニカム部を有することで、流路が延在する方向に対して垂直方向の不活性ガスの速度成分を減少させて、旋回等の二次流れ成分を低減させることが可能となる。
 また、不活性ガスの流れ方向に対して直交する流路の断面積よりも小さい開口面積とされた開口部を複数有する多孔部を備えることで、開口部を通過する不活性ガスに抵抗を負荷させて、不活性ガスの流速偏差を低減することが可能となる。
 また、上記多孔部を有することで、流路を細分化して、渦のスケールを小さくして、不活性ガスの乱れを抑制することが可能となる。
 したがって、上述したハニカム部及び多孔部を有することで、造形エリアに均一な流速の不活性ガスを供給することができる。
 また、上記本発明の一態様に係る積層造形用ノズルにおいて、前記流路の流路長は、該流路の等価直径よりも大きくてもよい。
 このように、流路の流路長を流路の等価直径よりも大きくすることで、流路の延在方向に対して垂直方向の不活性ガスの速度成分を十分に減少させることが可能となるので、旋回等の二次流れ成分を十分に低減させることができる。
 また、本発明の一態様に係る積層造形用ノズルによれば、前記多孔部は、多孔板であってもよい。
 このように、多孔部として多孔板を用いることで、流路を細分化することが可能となるので、渦のスケールを小さくして、不活性ガスの乱れを抑制することができる。
 また、本発明の一態様に係る積層造形用ノズルによれば、前記多孔部は、金属製メッシュ部材であってもよい。
 このように、多孔部として金属製メッシュ部材を用いることで、多孔板を用いた場合と比較して、複数の開口を区画する枠の幅を小さくすることが可能となる。これにより、渦のスケールをさらに小さくすることが可能となるので、不活性ガスの乱れをさらに抑制できる。
 また、多孔部として金属製メッシュ部材を用いることで、渦(ウェイク)に起因する不活性ガスのばらつきが減衰するまでの距離を短くすることが可能となる。これにより、多孔部の下流に配置される吹出部の長さを短くすることができる。
 また、本発明の一態様に係る積層造形用ノズルによれば、前記多孔部は、発泡金属部材であってもよい。
 このように、多孔部として発泡金属部材を用いることで、金属製メッシュ部材を用いた場合と同様な効果を得ることができる。
 また、本発明の一態様に係る積層造形用ノズルによれば、前記ヘッダと前記ハニカム部との間には、前記ヘッダと前記ハニカム部とを連結する剥離抑制部が設けられており、前記ハニカム部は、前記剥離抑制部よりも小さい角度で傾斜してもよい。
 このように、ハニカム部が剥離抑制部よりも小さい角度で傾斜することで、剥離抑制部からハニカム部の流路に流入する不活性ガスの流れ方向が急激に変化することを抑制可能となる。これにより、剥離抑制部とハニカム部との境界付近における不活性ガスの剥離を抑制することができる。
 また、本発明の一態様に係る積層造形用ノズルによれば、前記吹出部は、鉛直方向に対して垂直な下板部と、該下板部の上方に配置された上板部と、を有しており、前記上板部は、前記ハニカム部から前記吹出部の吹出口に向かうにつれて、前記吹出部内に形成された流路の流路断面積を小さくするように、前記下板部に対して傾斜していてもよい。
 このような構成とすることで、不活性ガスの流速偏差や乱れを低減できるとともに、造形エリアに対して水平に不活性ガスを吹き出すことができる。
 上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る積層造形装置によれば、金属粉末を溶融させて焼結することで、造形品を造形する積層造形装置であって、上記積層造形用ノズルと、下部にノズル本体挿入用開口部及び導出口が形成され、該ノズル本体挿入用開口部と該導出口とが対向配置されたチャンバと、上面側に造形エリアが配置され、鉛直方向に移動可能なステージと、前記チャンバ内に設けられ、前記ステージの上面に金属粉末を供給するリコータと、前記ステージの上面に堆積した前記金属粉末に対してレーザ光を照射することで、該金属粉末を溶融させるレーザ照射部と、を備え、前記積層造形用ノズルのノズル本体は、前記ノズル本体挿入用開口部に配置されていてもよい。
 このような構成とされた積層造形装置は、上記積層造形用ノズルを有することで、造形エリアに均一な流速の不活性ガスを供給することができる。
 また、造形エリアに均一な流速の不活性ガスを供給することが可能となることで、積層造形装置が造形する造形品の品質を向上させることができる。
 本発明によれば、造形エリアに均一な流速の不活性ガスを供給することができる。
本発明の実施形態に係る積層造形装置の概略構成を模式的に示す断面図である。 図1に示す第1の積層造形用ノズルを拡大した図であり、ヘッダ及び剥離抑制部のみを断面で図示した図である。 図2に示すハニカム部をD視した図である。 図2に示す多孔部をE視した図である。 図2に示す吹出部をE視した図である。 他の多孔部の平面図である。
 以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。
 (実施形態)
 図1~図5を参照して、本発明の実施形態に係る積層造形装置10について説明する。
 図1において、Aは第1の積層造形用ノズル21から吹き出された不活性ガスの移動方向(以下、「A方向」という)、Bは第2の積層造形用ノズル24から吹き出された不活性ガスの移動方向(以下、「B方向」という)、Cはチャンバ11のチャンバ本体26から排出される不活性ガス、金属蒸気(「ヒューム」ともいう)、及び金属飛散(「スパッタ」ともいう)の移動方向(以下、「C方向」という)をそれぞれ示している。
 図2において、θはXY平面(X方向及びY方向を含む平面)に対する剥離抑制部51の傾斜角度(以下、「角度θ」という)をそれぞれ示している。
 また、図2において、θはXY平面(X方向及びY方向を含む平面)に対するハニカム部52の傾斜角度(以下、「角度θ」という)、Mは図3に示す流路62の流路長(以下、「流路長M」という)をそれぞれ示している。
 図2において、図1に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。図3~図5において、図2に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
 図1~図5において、Z方向は鉛直方向を示している。図1及び図2に示すX方向は、Z方向に対して直交する方向であるとともに、図1に示すチャンバ11に形成されたノズル本体挿入用開口部33Aと導出口34Aとが対向する方向を示している。図3~図5に示すY方向は、X方向及びZ方向に対して直交するチャンバ11の幅方向を示している。
 積層造形装置10は、チャンバ11と、ステージ13と、支持部材15と、昇降駆動部(図示せず)と、リコータ17と、レーザ照射部19と、第1の積層造形用ノズル21と、第1の不活性ガス供給ライン22と、第2の積層造形用ノズル24と、第2の不活性ガス供給ライン(図示せず)と、を有する。
 チャンバ11は、チャンバ本体26と、昇降機構収容部28と、を有する。チャンバ本体26は、底板31と、天板32と、側板33,34と、空間36と、を有する。
 底板31は、中央部にステージ13を収容するための開口部31Aが形成されている。
 天板32は、底板31から離間した状態で、底板31の上方に配置されている。天板32は、Z方向において底板31と対向している。天板32は、レーザ光Lを透過可能な窓部を有する。
 側板33,34は、底板31と天板32との間に設けられている。側板33,34は、X方向において対向配置されている。側板33,34の下端は、それぞれ底板31の外周縁と接続されている。側板33,34の上端は、それぞれ天板32の外周縁と接続されている。
 側板33には、ノズル本体挿入用開口部33A,33Bが形成されている。ノズル本体挿入用開口部33Aは、側板33の下部(具体的には、底板31に近い部分)を貫通するように形成されている。ノズル本体挿入用開口部33Aは、Y方向に延在している。
 ノズル本体挿入用開口部33Bは、側板33の上部(具体的には、天板32に近い部分)を貫通するように形成されている。ノズル本体挿入用開口部33Bは、Y方向に延在している。
 側板34には、導出口34Aが形成されている。導出口34Aは、側板34の下部(具体的には、底板31に近い部分)を貫通するとともに、ノズル本体挿入用開口部33Aと対向するように形成されている。これにより、導出口34Aは、Y方向に延在している。
 導出口34Aは、不活性ガス、金属蒸気(「ヒューム」ともいう)、及び金属飛散(「スパッタ」ともいう)をチャンバ本体26の外部に導出するための開口部である。
 なお、Y方向には、図示していない一対の側板が対向配置されている。一対の側板は、底板31、天板32、及び側板33,34と接続されている。一対の側板は、底板31、天板32、及び側板33,34とともに、空間36を区画している。空間36では、積層造形が行われる。
 昇降機構収容部28は、筒状とされており、チャンバ本体26の下方に配置されている。昇降機構収容部28の上端は、底板31の内縁と接続されている。昇降機構収容部28は、その内側に柱状空間28Aを区画している。柱状空間28Aは、ステージ13を収容可能な大きさとされている。
 ステージ13は、板状の部材であり、上面13aと、下面13bと、を有する。上面13aは、平面とされている。上面13aは、金属粉末が堆積された層(以下、「金属粉末層」という)が複数積層されることで、複数の金属粉末層よりなる粉末積層部14が形成される。粉末積層部14は、造形品を形成する際の材料となる。
 ステージ13は、金属粉末層に対してレーザ光Lが照射されて、金属粉末が溶融し、焼結した段階で、金属粉末を堆積させる層の厚さ分だけ下方に移動する。そして、新たな金属粉末層させた後、該金属粉末層にレーザ光Lが照射して、金属粉末を溶融させ、金属粉末が焼結した段階で、金属粉末層の厚さ分だけ下方に移動する。
 つまり、ステージ13は、レーザ光Lによる加工が進むにつれて、少しずつ下方に移動する。
 造形品が形成される造形エリアRは、ステージ13の上面13a及びその上方の領域に配置されている。
 支持部材15は、一端がステージ13の下面13b側と接続された状態で、ステージ13の下方(Z方向)に延在している。
 昇降駆動部(図示せず)は、支持部材15をZ方向に移動させるための駆動部である。
 リコータ17は、チャンバ本体26内に収容されている。リコータ17は、底板31の上方に配置されている。リコータ17は、図1に示す奥行方向(図3~図5に示すY方向)に移動可能な構成とされている。
 リコータ17は、Y方向に移動しながらステージ13上の造形エリアRに金属粉末を落下させることで、金属粉末層を形成する。レーザ光Lの照射時において、リコータ17は、造形エリアRの外側で待機する。
 レーザ照射部19は、天板32の上方に配置されている。レーザ照射部19は、ステージ13の上面13aに形成された金属粉末層にレーザ光Lを照射することで、金属粉末を溶融させる。溶融した金属粉末は、固まることで、造形品の一部となる。
 なお、図1では、一例として、チャンバ本体26内の外側(具体的には、天板32の上方)にレーザ照射部19を配置させた場合を例に挙げて説明したが、チャンバ本体26内(空間36)にレーザ照射部19を配置させてもよい。
 第1の積層造形用ノズル21は、ヘッダ41と、ノズル本体43と、を有する。
 ヘッダ41は、ヘッダ本体45と、ガス導入口45Aと、ガス導出口45Bと、を有する。
 ヘッダ本体45は、筒状とされた部材であり、Y方向に延在している。ヘッダ本体45の内部には、Y方向に延在する柱状空間41Aが形成されている。
 ガス導入口45Aは、ヘッダ本体45のうち、第1の不活性ガス供給ライン22と接続される部分に形成されている。ガス導入口45Aは、Y方向に延在するように形成されている。
 ガス導入口45Aには、第1の不活性ガス供給ライン22により供給される不活性ガスが導入される。
 ガス導出口45Bは、ガス導入口45Aの反対側に位置するヘッダ本体45に形成されている。ガス導出口45Bは、Y方向に延在するように形成されている。ガス導出口45Bは、ノズル本体43と接続されている。
 ガス導出口45Bは、柱状空間41Aに導入された不活性ガスをノズル本体43に導出する。
 ノズル本体43は、ノズル本体挿入用開口部33Aに挿入された状態で、側板33に固定されている。
 ノズル本体43は、剥離抑制部51と、ハニカム部52と、連結部53と、多孔部54と、吹出部55と、を有する。
 剥離抑制部51は、ヘッダ本体45とハニカム部52との間に設けられている。剥離抑制部51は、一端がヘッダ本体45と接続されており、他端がハニカム部52と接続されている。剥離抑制部51は、Y方向に延在している。剥離抑制部51内に形成された空間51Aは、ハニカム部52に形成された複数の流路62、及び柱状空間41Aに連通している。
 剥離抑制部51は、ガス導出口45Bから導出された不活性ガスをハニカム部52へ導くための経路である。
 剥離抑制部51は、XY平面に対して角度θで傾斜する方向に延在している。
 ハニカム部52は、剥離抑制部51と連結部53との間に設けられている。ハニカム部52は、一端が剥離抑制部51と接続されており、他端が連結部53と接続されている。
 ハニカム部52は、XY平面に対して角度θで傾斜している。ハニカム部52は、Y方向に延在している。
 ハニカム部52は、枠部61と、枠部61により区画された複数の流路62と、を有する。複数の流路62は、角度θで傾斜した状態で、剥離抑制部51から連結部53に向かう方向に延在している。
 複数の流路62は、空間51A、及び連結部53内に形成された空間(図示せず)に連通している。複数の流路62には、剥離抑制部51を通過した不活性ガスが導入される。
 流路62を通過した不活性ガスは、連結部53内に導出される。
 このような構成とされたハニカム部52を有することで、流路62が延在する方向に対して垂直方向の不活性ガスの速度成分を減少させて、旋回等の二次流れ成分を低減させることが可能となる。
 また、流路62の流路長Mは、例えば、流路62の等価直径よりも大きくしてもよい。
 このように、流路62の流路長Mを流路62の等価直径よりも大きくすることで、流路の延在方向に対して垂直方向の不活性ガスの速度成分を十分に減少させて、旋回等の二次流れ成分を十分に低減させることができる。
 また、ハニカム部52の傾斜角度である角度θは、例えば、剥離抑制部51の傾斜角度である角度θよりも小さくしてもよい。
 このように、剥離抑制部51よりも小さい角度でハニカム部52を傾斜させることで、剥離抑制部51からハニカム部52の複数の流路62に流入する不活性ガスの流れ方向が急激に変化することを抑制可能となる。つまり、不活性ガスの流れを段階的に水平に近づけることが可能なる。これにより、剥離抑制部51とハニカム部52との境界付近における不活性ガスの乱れや損失を抑制することができる。
 また、ハニカム部52に案内羽根としての機能を持たせることで、省スペース化を実現できる。
 なお、図3では、一例として、複数の流路62が四角柱形状の場合を例に挙げて説明したが、流路62の形状は、これに限定されない。複数の流路62の形状として、例えば、円柱形状や六角柱形状等を用いてもよい。
 連結部53は、X方向に延出しており、ハニカム部52と多孔部54との間に設けられている。連結部53は、一端がハニカム部52と接続されている、連結部53は、他端側に配置されたフランジ部53Aを有する。連結部53は、ハニカム部52を通過した不活性ガスを多孔部54に供給する。
 多孔部54は、ハニカム部52の下流側に設けられている。多孔部54は、連結部53のフランジ部53Aと吹出部55のフランジ部75との間に挟まれた状態で固定されている。多孔部54は、ハニカム部52と吹出部55との間に配置されている。
 多孔部54としては、例えば、枠部68で区画された複数の開口部67を有する多孔板65を用いることが可能である。複数の開口部67は、不活性ガスの流れ方向に対して直交する流路62の断面積よりも小さい開口面積とされている。
 多孔板65に供給された不活性ガスは、開口部67を通過した後、吹出部55に導出される。
 このように、多孔部54として、上記構成とされた多孔板65を用いることで、多孔板65に形成された開口部67を通過する不活性ガスに抵抗を負荷させることが可能となる。これにより、不活性ガスの流速偏差を低減することができる。
 また、多孔板65が不活性ガスの流れ方向に対して直交する流路62の断面積よりも小さい開口面積とされた複数の開口部67を有することで、流路を細分化することが可能となるので、渦のスケールを小さくして、不活性ガスの乱れをさらに抑制することができる。
 吹出部55は、多孔部54の下流側に配置されている。吹出部55は、多孔部54を通過した不活性ガスが流れる流路55Aと、流路55Aを通過した不活性ガスをチャンバ本体26内に吹き出す吹出口55Bを有する。
 流路55Aは、Y方向において仕切が無く、連通している。つまり、流路55Aは、1つのみ存在している。
 また、流路55Aに連通する吹出口55Bは、Y方向において仕切が無く、連通している。つまり、吹出口55Bは、1つのみ存在している。
 吹出部55は、流路55A及び吹出口55Bを区画する下板部71、上板部72、及び側板部73,74と、フランジ部75と、を有する。
 下板部71は、Z方向に対して直交する上面71aを有する。
 上板部72は、下板部71の上方に配置されている。上板部72は、ハニカム部52から吹出部55の吹出口55Bに向かうにつれて、流路55Aの流路断面積を小さくするように、下板部71に対して傾斜している。
 上板部72は、下板部71の上面71aに対して傾斜するとともに、流路55A及び吹出口55Bの上面側を区画する下面72aを有する。
 上記構成とされた吹出部55を有することで、造形エリアRに対して水平に不活性ガスを吹き出すことができる。
 側板部73は、Y方向における下板部71及び上板部72の一方の端部を連結するように配置されている。側板部74は、Y方向における下板部71及び上板部72の他方の端部を連結するように配置されている。
 側板部73,74は、Y方向において、離間した状態で対向配置されている。
 フランジ部75は、多孔部54が配置される側の端部に設けられている。フランジ部75は、フランジ部53Aとの間に多孔部54を配置するための部分である。
 次に、図1及び図2を参照して、第1の不活性ガス供給ライン22について説明する。
 第1の不活性ガス供給ライン22は、一端が図示していない不活性ガス供給源と接続されており、他端がガス導入口45Aと接続されている。
 第1の不活性ガス供給ライン22は、不活性ガス供給源から供給された不活性ガスを柱状空間41Aに導くためのラインである。
 第2の積層造形用ノズル24は、ノズル本体挿入用開口部33Bに挿入されている。第2の積層造形用ノズル24は、第2の不活性ガス供給ラインと接続されている。第2の積層造形用ノズル24は、水平方向(B方向)に不活性ガスを吹き出す。第2の積層造形用ノズル24は、ノズル本体43と同じ種類の不活性ガスを吹き出す。
 第2の不活性ガス供給ラインは、図示していない不活性ガス供給源と接続されている。第2の不活性ガス供給ラインは、不活性ガス供給源から供給された不活性ガスを第2の積層造形用ノズル24に導くためのラインである。
 本実施形態の第1の積層造形用ノズル21によれば、ノズル本体43内を不活性ガスが流れる複数の流路62に区画するハニカム部52を有することで、流路62が延在する方向に対して垂直方向の不活性ガスの速度成分を減少させて、旋回等の二次流れ成分を低減させることが可能となる。
 また、不活性ガスの流れ方向に対して直交する流路62の断面積よりも小さい開口面積とされた開口部67を複数有する多孔部54を備えることで、開口部67を通過する不活性ガスに抵抗を負荷させて、不活性ガスの流速偏差を低減することが可能となる。
 また、上記多孔部54を有することで、流路を細分化して、渦のスケールを小さくして、不活性ガスの乱れを抑制することが可能となる。
 したがって、上述したハニカム部52及び多孔部54を有することで、造形エリアに均一な流速の不活性ガスを供給することができる。
 本実施形態の積層造形装置10によれば、第1の積層造形用ノズル21を有することで、造形エリアRに均一な流速の不活性ガスを供給することができる。
 また、造形エリアRに均一な流速の不活性ガスを供給することが可能となることで、積層造形装置10が造形する造形品の品質を向上させることができる。
 ここで、図6を参照して、他の多孔部の例について説明する。
 先に説明した多孔部54に替えて、多孔部として金属製メッシュ部材86を用いてもよい。金属製メッシュ部材86は、図示していない枠体と、該枠体の内側に配置され、金属枠87及び複数の開口部88を含む金属メッシュ部と、を有する。
 金属枠87は、図4に示す枠部68よりも幅が狭くなるように構成されている。複数の開口部88は、不活性ガスの流れ方向に対して直交する流路62(図3参照)の断面積よりも小さい開口面積とされている。
 上記構成とされた金属製メッシュ部材86を用いることで、多孔板65を用いた場合と比較して、複数の開口部88を区画する金属枠87の幅を小さくすることが可能となる。
 これにより、渦のスケールをさらに小さくすることが可能となるので、不活性ガスの乱れをさらに抑制できる。
 さらに、上記構成とされた金属製メッシュ部材86を用いることで、渦(ウェイク)に起因する不活性ガスのばらつきが減衰するまでの距離を短くすることが可能となる。これにより、金属製メッシュ部材86の下流に配置される吹出部55の長さ(X方向の長さ)を短くすることができる。
 なお、金属製メッシュ部材86に替えて、多孔部として発泡金属部材を用いてもよい。
 この場合、金属製メッシュ部材を用いた場合と同様な効果を得ることができる。
 以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
 本発明は、積層造形用ノズル、及び積層造形装置に適用可能である。
 10  積層造形装置
 11  チャンバ
 13  ステージ
 13a,71a  上面
 13b,72a  下面
 14  粉末積層部
 15  支持部材
 17  リコータ
 19  レーザ照射部
 21  第1の積層造形用ノズル
 22  第1の不活性ガス供給ライン
 24  第2の積層造形用ノズル
 26  チャンバ本体
 28  昇降機構収容部
 28A,41A  柱状空間
 31  底板
 31A,67,88  開口部
 32  天板
 33,34  側板
 33A,33B  ノズル本体挿入用開口部
 36,51A  空間
 41  ヘッダ
 43  ノズル本体
 45  ヘッダ本体
 45A  ガス導入口
 45B  ガス導出口
 51  剥離抑制部
 51a  内面
 52  ハニカム部
 53  連結部
 53A,75  フランジ部
 54  多孔部
 55  吹出部
 55A,62  流路
 55B  吹出口
 61,68  枠部
 65  多孔板
 71  下板部
 72  上板部
 73,74  側板部
 86  金属製メッシュ部材
 87  金属枠
 L  レーザ光
 M  流路長
 θ,θ  角度

Claims (8)

  1.  積層造形が行われるチャンバ内の造形エリアに不活性ガスを供給する積層造形用ノズルであって、
     前記チャンバの幅方向に延びており、外部から前記不活性ガスが導入されるヘッダと、
     前記幅方向にわたって前記ヘッダに連通するとともに、前記ヘッダから供給された前記不活性ガスを前記造形エリアに対して水平に吹き出すノズル本体と、
     を備え、
     前記ノズル本体は、該ノズル本体内を前記不活性ガスが流れる複数の流路に区画するハニカム部と、
     前記ハニカム部の下流側に配置され、前記複数の流路を通過した前記不活性ガスが導かれ、前記幅方向において連通する吹出部と、
     前記ハニカム部と前記吹出部との間に配置された多孔部と、
     を有し、
     前記多孔部は、前記不活性ガスの流れ方向に対して直交する前記流路の断面積よりも小さい開口面積とされた開口部を複数有する積層造形用ノズル。
  2.  前記流路の流路長は、該流路の等価直径よりも大きい請求項1記載の積層造形用ノズル。
  3.  前記多孔部は、多孔板である請求項1または2記載の積層造形用ノズル。
  4.  前記多孔部は、金属製メッシュ部材である請求項1から3のうち、いずれか一項記載の積層造形用ノズル。
  5.  前記多孔部は、発泡金属部材である請求項1から3のうち、いずれか一項記載の積層造形用ノズル。
  6.  前記ヘッダと前記ハニカム部との間には、前記ヘッダと前記ハニカム部とを連結する剥離抑制部が設けられており、
     前記ハニカム部は、前記剥離抑制部よりも小さい角度で傾斜する請求項1から5のうち、いずれか一項記載の積層造形用ノズル。
  7.  前記吹出部は、鉛直方向に対して垂直な下板部と、該下板部の上方に配置された上板部と、を有しており、
     前記上板部は、前記ハニカム部から前記吹出部の吹出口に向かうにつれて、前記吹出部内に形成された流路の流路断面積を小さくするように、前記下板部に対して傾斜する請求項1から6のうち、いずれか一項記載の積層造形用ノズル。
  8.  金属粉末を溶融させて焼結することで、造形品を造形する積層造形装置であって、
     請求項1から7のうち、いずれか一項記載の積層造形用ノズルと、
     下部にノズル本体挿入用開口部及び導出口が形成され、該ノズル本体挿入用開口部と該導出口とが対向配置されたチャンバと、
     上面側に造形エリアが配置され、鉛直方向に移動可能なステージと、
     前記チャンバ内に設けられ、前記ステージの上面に金属粉末を供給するリコータと、
     前記ステージの上面に堆積した前記金属粉末に対してレーザ光を照射することで、該金属粉末を溶融させるレーザ照射部と、
     を備え、
     前記積層造形用ノズルのノズル本体は、前記ノズル本体挿入用開口部に配置されている積層造形装置。
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