WO2020250464A1 - 表面加工装置および方法並びに三次元積層装置 - Google Patents

表面加工装置および方法並びに三次元積層装置 Download PDF

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WO2020250464A1
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processed
processing
light beam
powder material
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二井谷　春彦
智宏 若名
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三菱重工工作機械株式会社
技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構
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Definitions

  • the present disclosure relates to a surface processing apparatus and method for adding a material to an object to be processed, and a three-dimensional laminating apparatus having this surface processing apparatus and producing a three-dimensional shape by laminating.
  • Patent Document 1 As a technique for manufacturing a three-dimensional shaped object, a laminated molding technique for manufacturing a three-dimensional shaped object by irradiating a metal powder material with a light beam is known.
  • a laminated modeling technique for example, there is one described in Patent Document 1.
  • the technique described in Patent Document 1 irradiates a powder layer made of a metal powder material with a light beam to form a sintered layer, and by repeating this, a plurality of sintered layers are laminated as a unit. It manufactures the original shape.
  • the focal position of the light beam is set near the surface of the object to be processed, and the metal powder material is injected at the focal position of the light beam. Then, the metal powder material melts on the surface of the object to be processed and solidifies to form a molded layer.
  • the focal position of the light beam is separated from the surface of the object to be processed by a predetermined distance, and the object to be processed is processed.
  • the present disclosure solves the above-mentioned problems, and provides a surface processing apparatus and method for suppressing the thermal influence of a workpiece on a workpiece to add a material to the workpiece, and a three-dimensional laminating apparatus. With the goal.
  • the surface processing apparatus of the present disclosure for achieving the above-mentioned object is a surface processing apparatus that adds a material to a processed object, and includes a powder supply unit that supplies a powder material toward the processed surface of the processed object.
  • a light irradiation unit that irradiates the powder material with a light beam before reaching the processing object is provided, and the irradiation position of the light beam and the injection position of the powder material on the processing surface are offset. It is characterized by.
  • the powder supply unit supplies the powder material toward the processed surface of the object to be processed, and the light irradiation unit irradiates the powder material before reaching the object to be processed with a light beam.
  • the irradiation position of the light beam on the processed surface and the injection position of the powder material are offset.
  • the light beam is not applied to the processed portion of the processed object, and the material can be added to the processed object by suppressing the thermal influence of the processed object on the processed surface.
  • the light irradiation unit is characterized in that the powder material semi-melted by the light beam is solidified on the processed surface of the processing object.
  • the powder supply unit supplies the powder material toward the processed surface of the object to be processed, and the light irradiation unit irradiates the powder material before reaching the object to be processed with a light beam. Then, the semi-molten powder material is solidified on the processed surface of the processed object by the light beam, and the material can be added to the processed object by suppressing the thermal influence of the processed object on the processed surface.
  • the powder supply unit supplies a powder material toward the focal point of the light beam irradiated from the light irradiation unit, and the focal point is separated from the processed surface by a predetermined distance. It is characterized by being.
  • the powder supply unit supplies the powder material toward the focal point of the light beam irradiated from the light irradiation unit, the powder material is appropriately semi-melted by the light beam, and the semi-melted powder material is processed into an object to be processed. Can be solidified by adhering to the processed surface of.
  • the surface processing apparatus of the present disclosure is characterized in that the powder supply unit supplies a powder material along the direction of gravity.
  • the powder supply unit supplies the powder material along the direction of gravity, the powder material in a semi-molten state by the light beam can be adhered to a predetermined position on the processing surface of the object to be processed, and the processing accuracy. It is possible to improve the surface roughness and the surface roughness.
  • the surface processing apparatus of the present disclosure is characterized in that the light irradiation unit irradiates the processed surface of the object to be processed with the light beam toward the front side in the processing direction at an acute angle.
  • the light irradiation unit irradiates the light beam at an acute angle rather than at a right angle to the processing surface of the processing object, the light beam is easily reflected from the processing surface of the processing object, and the processing object is processed. The effect of heat on the machined surface can be reduced.
  • the surface processing method of the present disclosure is a surface processing method of adding a material to a processing target, and is a step of supplying a powder material toward the processing surface of the processing target and before reaching the processing target. It is characterized by having a step of irradiating the powder material with a light beam and a step of offsetting the irradiation position of the light beam and the injection position of the powder material on the processed surface.
  • the light beam is not applied to the processed portion of the processed object, and the thermal influence of the processed object on the processed surface can be suppressed and the surface roughness of the processed object can be satisfactorily adjusted.
  • the three-dimensional laminating device of the present disclosure is a three-dimensional laminating device that forms a three-dimensional shaped object by laminating a molding layer on a processed object, and supplies a powder material toward the processed surface of the processed object.
  • the powder supply unit provides the first powder flow path for supplying the powder material toward the arrival position of the light beam on the processing surface of the processing object, and the light beam before reaching the processing object. It has a second powder flow path for supplying the powder material toward the object, and the light irradiation unit can irradiate a light beam toward the front side in the processing direction through the powder material before reaching the processing object. It is characterized by being.
  • a molded layer can be formed by sintering or melt-solidifying at least a part of the powder material irradiated with the light beam.
  • the powder supply unit supplies the powder material toward the light beam before reaching the object to be processed by the second powder flow path, the powder material irradiated with the light beam is semi-melted, and the semi-molten powder material is processed.
  • a surface roughness adjusting layer can be formed by adhering to the processed surface of the object and solidifying. As a result, the light beam is not applied to the processed portion of the processed object, and the material can be added to the processed object by suppressing the thermal influence of the processed object on the processed surface.
  • the powder supply unit has a flow path switching unit that switches the powder flow path for supplying the powder material between the first powder flow path and the second powder flow path. It is a feature.
  • the injection position of the powder material can be changed by switching between the first powder flow path and the second powder flow path by the flow path switching unit, and the three-dimensional laminating process and the surface processing process can be easily selected. be able to.
  • the three-dimensional laminating apparatus of the present disclosure is characterized in that the irradiation angle of the light beam irradiated from the light irradiation unit to the processed surface of the processing object can be changed.
  • the angle of the light beam applied to the machined surface of the machined object can be easily changed, and by reflecting the light beam from the machined surface of the machined object, the thermal effect on the machined surface of the machined object is affected. Can be mitigated.
  • the surface processing apparatus and method and the three-dimensional laminating apparatus of the present disclosure it is possible to suppress the thermal influence of the processed object on the processed surface and add the material to the processed object.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a three-dimensional stacking apparatus of this embodiment.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing an example of the tip end portion of the laminated head.
  • FIG. 3 is a horizontal cross-sectional view showing an example of the tip end portion of the laminated head.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the control device.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a method of manufacturing a three-dimensional shaped object by a three-dimensional laminating device.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a surface roughness adjusting method using a three-dimensional laminating device.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a three-dimensional laminating device of this embodiment.
  • one direction in the horizontal plane is the X-axis direction
  • the direction orthogonal to the X-axis direction in the horizontal plane is the direction orthogonal to each of the Y-axis direction, the X-axis direction, and the Y-axis direction (that is, vertical).
  • Direction is the Z-axis direction.
  • the three-dimensional stacking device 1 is a device for manufacturing a three-dimensional shaped object on a base portion 100.
  • the base portion 100 is a member that serves as a base on which a three-dimensional shaped object is formed, and is conveyed to a predetermined position by the three-dimensional laminating device 1 to form the three-dimensional formed object on the machined surface.
  • the base portion 100 of the present embodiment is a plate-shaped member.
  • the base portion 100 is not limited to this.
  • a member serving as a base of the three-dimensional shaped object may be used, or a member to which the three-dimensional shaped object is added may be used.
  • a member serving as a part or a product may be used as the base portion 100.
  • the three-dimensional laminating apparatus 1 includes a three-dimensional laminating chamber 2, a spare chamber 3, a laminating head storage chamber 4, a machining unit storage chamber 5, a bed 10, a table portion 11, a laminating head 12, and machining.
  • the unit 13 the control device 20, the shape measurement unit 30, the heating head 31, the device measurement unit 32, the tool exchange unit 33, the nozzle exchange unit 34, the powder introduction unit 35, and the base moving unit 36. It has an air discharge unit 37, a gas introduction unit 38, and a powder recovery unit 39.
  • the three-dimensional stacking chamber 2 is a housing (chamber) in which parts other than the designed communication parts such as connected pipes are sealed from the outside.
  • the designed communication portion is provided with a valve or the like for switching between a closed state and an open state, and the three-dimensional stacking chamber 2 can be sealed as needed.
  • the three-dimensional stacking chamber 2 includes a bed 10, a table section 11, a stacking head 12, a part of a machining section 13, a part of a heating head 31, a device measuring section 32, a tool changing section 33, and the like.
  • the nozzle replacement unit 34 is arranged inside.
  • the spare chamber 3 is provided adjacent to the three-dimensional stacking chamber 2.
  • the spare chamber 3 is sealed from the outside except for the designed communication portion such as the connected pipe.
  • the spare chamber 3 is a decompression chamber that connects the outside and the three-dimensional stacking chamber 2.
  • a base moving portion 36 is provided in the spare chamber 3.
  • a door 6 having airtightness is provided at the connection portion of the three-dimensional stacking chamber 2.
  • the spare chamber 3 is connected to the outside by an airtight door 7.
  • the spare chamber 3 is provided with an air discharge unit 25 for discharging air from the spare chamber 3.
  • the spare chamber 3 can carry necessary members from the outside into the inside.
  • the spare chamber 3 can carry in and out the members to and from the three-dimensional stacking chamber 2.
  • the stacking head storage chamber 4 is provided on the upper surface of the three-dimensional stacking chamber 2 in the Z-axis direction.
  • the stacking head storage chamber 4 is supported by the Z-axis slide portion 4a in a state of being movable in the Z-axis direction (direction of arrow 102) with respect to the three-dimensional stacking chamber 2.
  • the lower surface of the stacking head storage chamber 4 in the Z-axis direction is connected to the three-dimensional stacking chamber 2 by a bellows 18.
  • the bellows 18 connects the lower surface of the stacking head storage chamber 4 in the Z-axis direction to the three-dimensional stacking chamber 2, and makes the lower surface of the stacking head storage chamber 4 in the Z-axis direction a part of the three-dimensional stacking chamber 2. ..
  • an opening is formed in the region surrounded by the bellows 18.
  • the space surrounded by the lower surface of the stacking head storage chamber 4 in the Z-axis direction and the bellows 18 is connected to the three-dimensional stacking chamber 2 and sealed together with the three-dimensional stacking chamber 2.
  • the laminated head storage chamber 4 supports the laminated head 12, the shape measuring unit 30, and the heating head 31.
  • a part including the nozzle 23 of the stacking head 12 and a part including the tip portion 24 of the heating head 31 are directed from the lower surface in the Z-axis direction toward the three-dimensional stacking chamber 2. It is protruding.
  • the laminated head storage chamber 4 is moved in the Z-axis direction by the Z-axis slide portion 4a to move the holding laminated head 12, the shape measuring unit 30, and the heating head 31 in the Z-axis direction. Further, since the laminated head storage chamber 4 is connected to the three-dimensional laminated chamber 2 via the bellows 18, the bellows 18 is deformed according to the movement in the Z-axis direction, and the three-dimensional laminated chamber 2 and the laminated head are stored. The sealed state with the chamber 4 can be maintained.
  • the machining section storage chamber 5 is provided on the upper surface of the three-dimensional stacking chamber 2 in the Z-axis direction. Further, the machining section storage chamber 5 is arranged adjacent to the laminated head storage chamber 4. The machining section storage chamber 5 is supported by the Z-axis slide section 5a in a state of being movable in the Z-axis direction (direction of arrow 104) with respect to the three-dimensional stacking chamber 2. The lower surface of the machined unit storage chamber 5 in the Z-axis direction is connected to the three-dimensional stacking chamber 2 by a bellows 19.
  • the bellows 19 connects the lower surface of the machining section storage chamber 5 in the Z-axis direction and the three-dimensional stacking chamber 2, and the lower surface of the machining section storage chamber 5 in the Z-axis direction is one of the three-dimensional stacking chambers 2. It is a department. Further, in the three-dimensional stacking chamber 2, an opening is formed in the region surrounded by the bellows 19. The space surrounded by the lower surface of the machining unit storage chamber 5 in the Z-axis direction and the bellows 19 is connected to the three-dimensional stacking chamber 2 and sealed together with the three-dimensional stacking chamber 2.
  • the machining section storage chamber 5 supports the machining section 13. Further, in the machining section storage chamber 5, a part of the machining section 13 including the tool 22 projects from the lower surface in the Z-axis direction toward the three-dimensional stacking chamber 2.
  • the machining section storage chamber 5 moves the machining section 13 held by the Z-axis slide section 5a in the Z-axis direction, thereby moving the machining section 13 in the Z-axis direction. Further, since the machining unit storage chamber 5 is connected to the three-dimensional stacking chamber 2 via the bellows 19, the bellows 19 is deformed according to the movement in the Z-axis direction, and is machined with the three-dimensional stacking chamber 2. The sealed state between the unit storage chamber 5 and the unit storage chamber 5 can be maintained.
  • the bed 10 is provided at the bottom of the three-dimensional stacking chamber 2 in the Z-axis direction.
  • the bed 10 supports the table portion 11.
  • Various wirings, pipes, and drive mechanisms are arranged on the bed 10.
  • the table portion 11 is arranged on the upper surface of the bed 10 and supports the base portion 100.
  • the table portion 11 has a Y-axis slide portion 15, an X-axis slide portion 16, and a rotary table portion 17.
  • the table portion 11 attaches the base portion 100 and moves the base portion 100 on the bed 10.
  • the Y-axis slide portion 15 moves the X-axis slide portion 16 with respect to the bed 10 along the Y-axis direction (direction of arrow 106).
  • the X-axis slide portion 16 is fixed to a member that serves as an operating portion of the Y-axis slide portion 15, and moves the rotary table portion 17 with respect to the Y-axis slide portion 15 along the X-axis direction (direction of arrow 108). Let me.
  • the rotary table portion 17 is fixed to a member that serves as an operating portion of the X-axis slide portion 16 and supports the base portion 100.
  • the rotary table portion 17 is, for example, an inclined circular table, and has a fixed table 17a, a rotating table 17b, an inclined table 17c, and a rotating table 17d.
  • the fixing base 17a is fixed to a member that serves as an operating portion of the X-axis slide portion 16.
  • the rotary table 17b is supported by a fixed base 17a and rotates about a rotary shaft 110 parallel to the Z-axis direction as a rotary shaft.
  • the tilt table 17c is supported by the rotary table 17b, and is rotated around a rotary shaft 112 orthogonal to the supported surface of the rotary table 17b.
  • the rotary table 17d is supported by the tilt table 17c and is rotated about a rotation axis 114 orthogonal to the supported surface of the tilt table 17c.
  • the rotary table 17d fixes the base portion 100.
  • the rotary table portion 17 can rotate the base portion 100 around three orthogonal axes by rotating each portion around the rotation axes 110, 112, 114.
  • the table portion 11 moves the base portion 100 fixed to the rotary table portion 17, and the base portion 100 is moved in the Y-axis direction and the X-axis direction by the Y-axis slide portion 15 and the X-axis slide portion 16. Further, the table portion 11 rotates each portion around the rotation axes 110, 112, 114 by the rotary table portion 17, thereby rotating the base portion 100 around three orthogonal axes.
  • the table portion 11 may further move the base portion 100 along the Z-axis direction.
  • the lamination head 12 injects a powder material toward the base portion 100, and further irradiates the injected powder material with a laser beam (light beam) to melt the powder, and the melted powder is placed on the base portion 100. It is solidified with to form a molded layer.
  • the powder introduced into the stacking head 12 is a powder of a material that is a raw material for a three-dimensional shaped object.
  • a metal material such as iron, copper, aluminum or titanium can be used.
  • a material other than a metal material such as ceramic may be used.
  • the stacking head 12 is provided at a position facing the upper surface of the bed 10 in the Z-axis direction, and faces the table portion 11.
  • a nozzle 23 is installed in the lower part of the laminated head 12 in the Z-axis direction.
  • the laminated head 12 has a nozzle 23 mounted on the main body 46.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing an example of the tip of the laminated head
  • FIG. 3 is a horizontal cross-sectional view showing an example of the tip of the laminated head.
  • the nozzle 23 is a double tube having an outer tube 41 and an inner tube 42 inserted inside the outer tube 41.
  • the outer tube 41 is a tubular member, and its diameter decreases toward the tip (lower side in the Z-axis direction).
  • the inner pipe 42 is inserted inside the outer pipe 41.
  • the inner tube 42 is also a tubular member and has a shape in which the diameter decreases toward the tip (lower side in the Z-axis direction).
  • the nozzle 23 serves as a powder flow path (powder supply unit) 43 through which the powder (powder material) P passes between the inner circumference of the outer pipe 41 and the outer circumference of the inner pipe 42.
  • the inner peripheral surface side of the inner tube 42 is the laser path (light irradiation unit) 44 through which the laser light passes.
  • the main body 46 to which the nozzle 23 is mounted is a double tube like the nozzle 23, and the powder flow path 43 and the laser path 44 are also formed in the same manner.
  • a powder flow path 43 is arranged so as to surround the laser path 44.
  • the powder flow path 43 serves as a powder injection unit for injecting powder.
  • the powder P introduced from the powder introduction portion 35 flows through the powder flow path 43, and the nozzle injection port portion (powder supply portion) 45 which is an opening at the end between the outer pipe 41 and the inner pipe 42. Is jetted from.
  • a flow path switching portion 61 is provided in the powder flow path 43 connected to the powder introduction section 35.
  • the stacking head 12 injects the powder P at a predetermined convergence position so as to have a predetermined convergence diameter.
  • the convergence diameter is the diameter of the locus of the powder P when the diameter of the locus of the injected powder P is minimized.
  • the stacking head 12 ejects the powder P so as to converge inward in the radial direction. That is, the stacking head 12 injects the powder P so that the locus of the powder P has a predetermined convergence diameter.
  • the convergence position is a position where the trajectory of the injected powder P converges.
  • the laminated head 12 has a light source 47, an optical fiber 48, and a condensing unit 49.
  • the light source 47 outputs a laser beam.
  • the optical fiber 48 guides the laser output from the light source 47 to the laser path 44.
  • the condensing unit 49 is arranged in the laser path 44 and is arranged in the optical path of the laser output from the optical fiber 48.
  • the condensing unit 49 condenses the laser beam L output from the optical fiber 48.
  • the laser beam L focused by the light collecting unit 49 is output from the end of the inner tube 42.
  • the light collecting unit 49 is arranged in the main body 46 of the laminated head 12, a part or all of the light collecting unit 49 may be arranged in the nozzle 23. When a part or all of the condensing unit 49 is arranged on the nozzle 23, the focal position can be set to a different position by exchanging the nozzle 23.
  • the laminated head 12 is provided with a laser path 44 through which the laser beam L passes at the position of the central axis O, and a plurality of powder flow paths 43 are provided outside the laser path 44.
  • Each of the plurality of powder flow paths 43 is provided with a flow path switching portion 61.
  • four powder flow paths 43a, 43b, 43c, 43d are provided, four nozzle injection port portions 45a, 45b, 45c, 45d are provided, and four powder flow paths 43a, 43b are provided.
  • 43c, 43d are provided with flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d, respectively.
  • the flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d are configured by, for example, a device using a pump, a switching valve, or the like.
  • the flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d supply the powder P by opening the powder flow paths 43a, 43b, 43c, 43d, or block the powder flow paths 43a, 43b, 43c, 43d.
  • the supply of powder P can be stopped.
  • the four powder flow paths 43a, 43b, 43c, 43d and the four nozzle injection port portions 45a, 45b, 45c, 45d are preferably provided at equal intervals in the circumferential direction, but are not at equal intervals. May be good. Further, the number of the powder flow path 43 and the nozzle injection port 45 is not limited to four, and a plurality of them may be provided.
  • the stacking head 12 injects powder P from the powder flow path 43 and outputs laser light L from the laser path 44.
  • the powder P ejected from the stacking head 12 penetrates into the region irradiated with the laser beam L output from the stacking head 12, and is heated by the laser beam L at the focal point F of the laser beam L.
  • the powder P irradiated with the laser beam L melts and then reaches the base portion 100.
  • the powder P that has reached the base 100 in the molten state is cooled and solidified. As a result, a molding layer is formed on the base portion 100.
  • the laminated head 12 of the present embodiment guides the laser beam L output from the light source 47 by the optical fiber 48, but the laminated head 12 is not limited to the optical fiber 48 and may be another transmission member. Further, the light collecting unit 49 may be provided on the main body 46, the nozzle 23, or both. Since the laminated head 12 of the present embodiment can be effectively processed, the powder flow path 43 for injecting the powder P and the laser path 44 for irradiating the laser beam L are provided coaxially, but the present invention is not limited to this.
  • the stacking head 12 may have a mechanism for injecting the powder P and a mechanism for irradiating the laser beam L as separate bodies.
  • the laminated head 12 of the present embodiment irradiates the powder material with a laser beam, but it is sufficient if the powder material can be melted or sintered, and a light beam other than the laser beam may be irradiated.
  • the machining unit 13 machining, for example, a molding layer or the like.
  • the machined portion 13 is provided at a position facing the upper surface of the bed 10 in the Z-axis direction, and faces the table portion 11.
  • the machined portion 13 has a tool 22 mounted on the lower portion in the Z-axis direction.
  • the machined portion 13 may be provided on the upper side of the bed 10 in the Z-axis direction within the movable range of the base portion 100 by the table portion 11, and the arrangement position is not limited to the position of the present embodiment. ..
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the control device 20.
  • the control device 20 includes each part of the three-dimensional stacking device 1 (the above-mentioned bed 10, table portion 11, stacking head 12, machining unit 13, shape measuring unit 30, heating head 31, and device measuring unit). 32, tool changing part 33, nozzle changing part 34, powder introducing part 35, base moving part 36, air discharging part 37, gas introducing part 38, powder collecting part 39, etc.) are electrically connected to the driving part. , Control the operation of each part of the three-dimensional stacking device 1.
  • the control device 20 is installed outside the three-dimensional stacking chamber 2 and the spare chamber 3.
  • the control device 20 includes an input unit 51, a control unit 52, a storage unit 53, an output unit 54, and a communication unit 55. Each unit of the input unit 51, the control unit 52, the storage unit 53, the output unit 54, and the communication unit 55 is electrically connected.
  • the input unit 51 is, for example, an operation panel.
  • the worker inputs information, a command, or the like into the input unit 51.
  • the control unit 52 is, for example, a CPU (Central Processing Unit) and a memory.
  • the control unit 52 outputs a command for controlling the operation of each part of the three-dimensional stacking device 1 to each part of the three-dimensional stacking device 1.
  • information and the like from each unit of the three-dimensional stacking device 1 are input to the control unit 52.
  • the storage unit 53 is, for example, a storage device such as a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory).
  • the storage unit 53 stores an operation program of the three-dimensional stacking device 1 that controls the operation of each unit by being executed by the control unit 52, information on the three-dimensional stacking device 1, information on the design of the three-dimensional shape object, and the like. Will be done.
  • the output unit 54 is, for example, a display.
  • the output unit 54 displays, for example, information or the like from each unit of the three-dimensional stacking device 1.
  • the communication unit 55 communicates with a communication line such as the Internet or a LAN (Local Area Network), and exchanges information with the communication line.
  • the control device 20 may have at least a control unit 52 and a storage unit 53. If the control device 20 has the control unit 52 and the storage unit 53, the control device 20 can output a command to each unit of the three-dimensional stacking device 1.
  • the three-dimensional laminating device 1 of the present embodiment is for forming a three-dimensional shaped object by laminating a molding layer on an object to be processed. Then, the three-dimensional laminating device 1 can be used as a surface processing device for adjusting the surface roughness of the object to be processed. That is, the three-dimensional laminating device 1 can realize the production of the three-dimensional shaped object and the adjustment of the surface roughness of the object to be processed with one device.
  • the three-dimensional laminating device 1 used as a surface processing device reaches the powder flow path 43 and the nozzle injection port 45 as a powder supply unit that supplies powder P toward the processed surface of the processing object, and the processing object. It is provided with a laser path 44 as a light irradiation unit that solidifies the semi-molten powder P on the processed surface of the object to be processed by irradiating the laser beam L toward the front side in the processing direction through the previous powder P.
  • the powder flow path 43 and the nozzle injection port portion 45 supply the powder P toward the focal point F of the laser beam L irradiated from the laser path 44.
  • the nozzle injection port 45 supplies the powder P along the direction of gravity.
  • the laser path 44 irradiates the processed surface of the object to be processed with the laser beam L at an acute-angled irradiation angle.
  • the central axis O of the laminated head 12 can be tilted with respect to the vertical direction, and the laminated head 12 can be tilted at a predetermined angle with respect to the machining surface of the horizontal machining object.
  • the irradiation angle of the laser beam L emitted from the laser path 44 becomes an acute angle with respect to the processed surface of the object to be processed, and the injection angle of the powder P injected from the powder flow path 43 is in the direction of gravity. That is, it is perpendicular to the machined surface of the object to be machined.
  • the first powder flow paths 43a, 43b, 43c that supply the powder P toward the arrival position of the laser beam L on the processing surface of the processing object during the production of the three-dimensional shaped object are processed.
  • a second powder flow path 43d that supplies the powder P toward the laser beam L before reaching the object to be processed is provided.
  • the laser path 44 can irradiate the laser beam L toward the front side in the processing direction through the powder P before reaching the object to be processed.
  • the injection angles of the nozzle injection ports 45a, 45b, 45c in the first powder flow paths 43a, 43b, 43c with respect to the central axis O are different from the injection angles of the nozzle injection port portions 45d in the second powder flow path 43d.
  • the injection angles of the nozzle injection ports 45a, 45b, 45c in the first powder flow paths 43a, 43b, 43c with respect to the central axis O and the injection angles of the nozzle injection port portions 45d in the second powder flow path 43d are the same.
  • the inclination angle of the laminated head 12 enables the laser beam L to be irradiated toward the front side in the processing direction through the powder P before reaching the object to be processed, and the injection angle of the powder P injected from the powder flow path 43. May be the direction of gravity.
  • the flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d for switching between the first powder flow path 43a, 43b, 43c and the second powder flow path 43d are provided. That is, by operating the flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d, the path for introducing the powder P is selected from the powder flow paths 43a, 43b, 43c, 43d, and the desired nozzle injection port portions 45a, 45b, 45c, Powder P can be injected from 45d. Further, at this time, by inclining the laminated head 12, the irradiation angle of the laser beam L irradiated from the laser path 44 to the processed surface of the object to be processed can be changed.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a method of manufacturing a three-dimensional shaped object by a three-dimensional laminating device
  • FIG. 6 is an explanatory view showing a surface roughness adjusting method by the three-dimensional laminating device.
  • the case where the three-dimensional shaped object is manufactured on the machined surface 91 of the work target 90 is described.
  • the object to be processed 90 is, for example, a metal plate-shaped member, but the shape and material are arbitrary as long as a three-dimensional object is manufactured on the upper part.
  • the object to be processed 90 is mounted on the base portion 100.
  • the control device 20 moves the base portion 100 by the table portion 11 so that the workpiece 90 on the base portion 100 is arranged below the stacking head 12 in the Z-axis direction.
  • the control device 20 introduces the powder from the powder introduction unit 35 into the stacking head 12, and irradiates the laser beam L while injecting the powder P together with the gas from the stacking head 12.
  • the powder P is sprayed toward the object to be processed 90 on the base portion 100 with a predetermined convergence diameter.
  • the laser beam L irradiates the powder P with a predetermined spot diameter between the stacking head 12 and the object to be processed 90.
  • the position of the spot diameter of the laser beam L in the Z-axis direction with respect to the position of the convergence diameter of the powder P in the Z-axis direction and the spot diameter in the position of the convergence diameter of the powder P in the Z-axis direction are, for example, collected. It can be controlled by moving the position of the light unit 49.
  • the laminated head 12 injects powder P only from the first powder flow paths 43a, 43b, 43c by the operation of the flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d, and outputs the laser light L from the laser path 44.
  • the laser beam L from the laser path 44 has a focal point F set in the vicinity of the processing surface 91 of the object to be processed 90, and the powder P from the powder flow paths 43a, 43b, 43c (nozzle injection port portions 45a, 45b, 45c). Is ejected toward the focal point of the laser beam L.
  • the powder P ejected from the laminated head 12 is heated by the laser beam L at the focal point F of the laser beam L on the processing surface 91 of the object to be processed 90 to form a molten pool.
  • the powder P irradiated with the laser beam L melts in the vicinity of the processed surface 91 of the processed object 90, and then reaches the processed surface 91 of the processed object 90.
  • the powder P that has reached the processed surface 91 of the object to be processed 90 in the molten state is cooled here and solidified. As a result, the molding layer 92 is formed on the machined surface 91 of the object to be machined 90.
  • the control device 20 irradiates the machined surface 91 of the machined object 90 with the laser beam L from the stacking head 12 and injects the powder P while moving the machined object 90 in the predetermined moving direction M1 by the table unit 11. To do. Therefore, a continuous molding layer 92 is formed on the machined surface 91 of the object to be machined 90. In this case, the forming direction by the three-dimensional laminating device is M2. By repeating the formation of such a molding layer 92, the three-dimensional laminating apparatus 1 manufactures a three-dimensional shaped object in which a plurality of molding layers are integrally laminated.
  • the control device 20 moves the base portion 100 by the table portion 11 so that the workpiece 90 on the base portion 100 is arranged below the stacking head 12 in the Z-axis direction.
  • the machined surface 91 of the machined object 90 is in the horizontal direction
  • the central axis O of the laminated head 12 is tilted with respect to the horizontal machined surface 91 of the machined object 90
  • the irradiation angle ⁇ of the laser beam L is acute.
  • the irradiation angle ⁇ of the laser beam L may be set to an acute angle by inclining the base portion 100 with respect to the laminated head 12.
  • the control device 20 introduces the powder from the powder introduction unit 35 into the stacking head 12, and irradiates the laser beam L while injecting the powder P together with the gas from the stacking head 12.
  • the powder P is sprayed toward the object to be processed 90 on the base portion 100 with a predetermined convergence diameter.
  • the laser beam L irradiates the powder P with a predetermined spot diameter between the stacking head 12 and the object to be processed 90.
  • the laminated head 12 injects the powder P only from the second powder flow path 43d (nozzle injection port portion 45d) by the operation of the flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d, and emits the laser light L from the laser path 44.
  • the laser beam L from the laser path 44 is focused at a position separated from the machining surface 91 of the workpiece 90 by a predetermined distance, and the powder P from the powder flow path 43d is directed toward the focal point of the laser beam L. Be jetted. Therefore, the powder P ejected from the stacking head 12 moves along the direction of gravity and is heated by the laser beam L at the focal point F of the laser beam L separated from the machining surface 91 of the workpiece 90.
  • the powder P irradiated with the laser beam L reaches the processed surface 91 of the processed object 90 after being melted or semi-melted at a position separated from the processed surface 91 of the processed object 90.
  • the molten or semi-molten powder P is cooled between the focal position of the laser beam L and the work target 90 or at the reaching position of the work target 90 on the work surface 91, and the work surface 91 of the work target 90 is cooled. It solidifies and adheres to the top. As a result, the surface roughness adjusting layer 93 is formed on the processed surface 91 of the object to be processed 90.
  • the powder P ejected from the stacking head 12 is heated only at the focal point F of the laser beam L, a part of the powder P becomes a completely melted state and solidifies and adheres to the processed surface 91, but a part of the powder P is solidified and adhered to the processed surface 91. It may not be completely melted but may be semi-melted.
  • the semi-melted state is a state in which only the outer peripheral surface of the granules constituting the powder is melted and the inside is not melted. Therefore, when the powder P in the semi-melted state reaches the processed surface 91 of the work target 90, it adheres to the work surface 91 of the work target 90 by the molten portion, but the powder P itself is not completely melted.
  • the processed surface 91 of the object to be processed 90 is adjusted so that the uneven shape having a rough texture, that is, the surface roughness is increased by a large number of granules constituting the powder P.
  • the term “large surface roughness” includes, but is not limited to, for example, a surface shape such that the arithmetic average roughness Sa is 50 ⁇ m or more.
  • the control device 20 irradiates the machined surface 91 of the machined object 90 with the laser beam L from the stacking head 12 and injects the powder P while moving the machined object 90 in the predetermined moving direction M1 by the table unit 11. To do. Therefore, a continuous surface roughness adjusting layer 93 is formed on the processed surface 91 of the object to be processed 90.
  • the processing direction by the three-dimensional laminating device is M2. Therefore, the laser beam L irradiated from the laminated head 12 is in the processing direction M2 from the position where the powder P in the semi-molten state adheres to the processing surface 91 of the processing object 90 after the powder P is heated at the focal point F. It reaches the machined surface 91 of the machined object 90 on the front side.
  • the irradiation angle ⁇ of the laser beam L is not a right angle but an acute angle, it is easy to reflect from the machined surface 91 of the machined object 90, and it is suppressed that the machined surface 91 itself of the machined object 90 is heated. Will be done.
  • the irradiation angle ⁇ is preferably, for example, ⁇ ⁇ 60 degrees.
  • one surface roughness adjusting layer 93 is formed on the processed surface 91 of the object to be processed 90 by one surface roughness adjusting treatment, but the surface roughness adjusting treatment is performed a plurality of times.
  • a plurality of layers of the surface roughness adjusting layer 93 may be formed so as to be laminated.
  • the powder flow path (powder supply unit) 43 that supplies the powder P toward the processed surface 91 of the processed object 90 and the processing object 90 before reaching the processed object 90.
  • a laser path (light irradiation unit) 44 for irradiating the powder P with the laser beam L is provided, and the irradiation position of the laser beam L and the injection position of the powder P on the processed surface 91 are offset.
  • the powder P is supplied from the powder flow path 43d toward the processing surface 91 of the processing object 90, and the laser light L is irradiated to the powder P before reaching the processing object 90 from the laser path 44.
  • the laser beam L is the processed portion of the object to be processed 90 (for example, the molded layer 92 and the surface roughness).
  • the adjustment layer 93 and the like) are not irradiated, and the surface roughness can be satisfactorily adjusted by suppressing the thermal influence of the work object 90 on the work surface 91 and adding the material to the work object 90. ..
  • the powder P semi-molten by the laser beam L is solidified on the processed surface 91 of the object to be processed 90. Therefore, the powder P is supplied from the powder flow path 43d toward the processing surface 91 of the processing object 90, and the laser light L is irradiated to the powder P before reaching the processing object 90 from the laser path 44. Then, the powder P semi-melted by the laser beam L is solidified on the processed surface 91 of the processed object 90, and the material is applied to the processed object 90 by suppressing the thermal influence of the processed object 90 on the processed surface 91.
  • the surface roughness can be satisfactorily adjusted by adding it.
  • the powder P is supplied from the powder flow path 43 toward the focal point F of the laser beam L irradiated from the laser path 44, and the focal point F is separated from the processed surface 91 by a predetermined distance. doing. Therefore, the powder P can be appropriately semi-melted by the laser beam L, and the semi-molten powder P can be adhered to the processed surface 91 of the object to be processed 90 and solidified.
  • the powder P is supplied from the powder flow path 43 along the direction of gravity. Therefore, the powder P that has been semi-melted by the laser beam L can be attached to a predetermined position on the processing surface 91 of the processing object 90, and the processing accuracy can be improved.
  • the laser beam L is irradiated from the laser path 44 toward the front side of the processing direction M2 at an acute angle irradiation angle ⁇ with respect to the processing surface 91 of the processing object 90. Therefore, since the laser beam L is irradiated from the laser path 44 at an acute angle irradiation angle ⁇ rather than at a right angle to the machining surface 91 of the machining object 90, the laser beam L is reflected from the machining surface 91 of the machining object 90. This facilitates the process and can reduce the thermal effect of the machined object 90 on the machined surface 91.
  • the step of supplying the powder P toward the processed surface 91 of the processed object 90 and the laser beam L are applied to the powder P before reaching the processed object 90. It includes a step of irradiating and a step of offsetting the irradiation position of the laser beam L and the injection position of the powder P on the processed surface 91. Therefore, the laser beam L does not irradiate the processed portion of the processing object 90 (for example, the molding layer 92 or the surface roughness adjusting layer 93), and the thermal effect of the processing object 90 on the processed surface 91 is suppressed. Then, the material can be added to the object to be processed 90 to satisfactorily adjust the surface roughness.
  • the processed portion of the processing object 90 for example, the molding layer 92 or the surface roughness adjusting layer 93
  • the powder flow path (powder supply unit) 43 that supplies the powder P toward the processed surface 91 of the object to be processed 90 and the powder P are irradiated with the laser beam L.
  • the powder flow path 43 is provided with a laser path (light irradiation unit) 44 for forming a molded layer 92 by sintering or melt-solidifying at least a part of the powder P irradiated with the laser light L, and the powder flow path 43 has a three-dimensional shape.
  • the powder P is supplied from the first powder flow paths 43a, 43b, 43c toward the machined surface 91 of the work target 90, and the laser is laser path 44 to the arrival position of the powder P on the work surface 91 of the work object 90.
  • the light L is irradiated, at least a part of the powder P irradiated with the laser light L can be sintered or melt-solidified to form the molded layer 92.
  • the powder P is supplied from the second powder flow path 43d toward the laser beam L before reaching the object to be processed 90, the powder P irradiated with the laser beam L is semi-melted, and the semi-molten powder P is processed.
  • the surface roughness adjusting layer 93 can be formed by adhering to the processed surface 91 of the object 90 and solidifying it. As a result, the laser beam L is not applied to the processed portion of the processed object 90, and the thermal influence of the processed object 90 on the processed surface 91 can be suppressed.
  • the flow path switching portions 61a, 61b for switching between the first powder flow paths 43a, 43b, 43c and the second powder flow path 43d. , 61c, 61d are provided. Therefore, the injection position of the powder P can be changed by switching between the first powder flow paths 43a, 43b, 43c and the second powder flow path 43d by the flow path switching portions 61a, 61b, 61c, 61d, and the third order.
  • the original laminating process and the surface processing process can be easily selected.
  • the irradiation angle ⁇ of the laser beam L irradiated from the laser path 44 to the machined surface 91 of the work target 90 can be changed. Therefore, the angle of the laser beam L irradiated on the processed surface 91 of the object to be processed 90 can be easily changed, and a part of the laser beam L is reflected from the processed surface 91 of the object to be processed 90 for processing. The thermal effect on the machined surface 91 of the object 90 can be reduced.
  • the powder supply unit is arranged outside the light irradiation unit to form an integrated laminated head, but a separate powder supply unit may be arranged adjacent to the light irradiation unit. ..
  • the powder material injected by the powder supply unit is a metal powder material, but a non-metal powder material such as a resin powder material may be used.
  • the light beam is a laser beam, it may be an electron beam or the like.
  • the surface processing apparatus of the present disclosure has been described as a three-dimensional laminating apparatus, but an apparatus having only the functions of the surface processing apparatus may be configured.
  • a processing head for a surface processing device and a laminating head for a three-dimensional laminating device may be prepared and configured to be interchangeable.
  • the surface processing apparatus and method of the present disclosure are not limited to adjusting the surface roughness of the object to be processed, and may be used for the purpose of adding a material to the processed surface of the object to be processed. According to the present disclosure, it is possible to add a material that minimizes the influence of heat on the object to be processed.
  • Three-dimensional laminating device Three-dimensional laminating room 3 Spare room 4 Laminating head storage room 4a, 5a Z-axis slide part 5 Machining part storage room 6,7 Door 10 Bed 11 Table part 12 Laminating head 13 Machining part 15 Y-axis Slide part 16 X-axis slide part 17 Rotating table part 17a Fixed base 17b Rotating table 17c Tilt table 17d Rotating table 18, 19 Bellows 20 Control device 22 Tool 23 Nozzle 24 Tip 25 Air discharge part 30 Shape measuring part 31 Heating head 32 device Measuring unit 33 Tool exchange unit 34 Nozzle exchange unit 35 Powder introduction unit 36 Base moving unit 37 Air discharge unit 38 Gas introduction unit 39 Powder recovery unit 41 Outer pipe 42 Inner pipe 43, 43a, 43b, 43c, 43d Powder flow path ( Powder supply unit) 44 Laser path (light irradiation part) 45, 45a, 45b, 45c, 45d Nozzle injection port (powder supply) 46 Main body 47 Light source 48 Optical fiber 49 Condensing unit 51 Input unit 52 Control unit 53

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Abstract

表面加工装置および方法並びに三次元積層装置において、加工対象物（９０）の加工面（９１）に向けて粉末（Ｐ）を供給する粉末供給部としての粉末流路（４３）と、加工対象物（９０）に到達前の粉末Ｐに対してレーザ光（Ｌ）を照射する光照射部としてのレーザ経路（４４）とを備え、加工面（９１）におけるレーザ光（Ｌ）の照射位置と粉末（Ｐ）の噴射位置をオフセットさせる。

Description

表面加工装置および方法並びに三次元積層装置
　本開示は、加工対象物に材料を付加する表面加工装置および方法、この表面加工装置を有して積層により三次元形状物を製造する三次元積層装置に関するものである。
　三次元形状物を製造する技術として、金属粉末材料に光ビームを照射することによって三次元形状物を製造する積層造形技術が知られている。積層造形技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された技術は、金属粉末材料で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことによって複数の焼結層が一体として積層された三次元形状物を製造するものである。
特開２０１５－１９６２６４号公報
　ところで、積層造形技術を用いて加工対象物の表面粗さを調整したいという要望がある。積層造形技術では、光ビームの焦点位置を加工対象物の表面の近傍とし、この光ビームの焦点位置に金属粉末材料を噴射する。すると、加工対象物の表面で金属粉末材料が溶融し、凝固することで成形層が形成される。一方、例えば、人工関節など面粗度が必要な医療部品において、加工対象物の表面粗さを調整する場合、光ビームの焦点位置を加工対象物の表面から所定距離だけ離間させ、加工対象物の表面から離間した光ビームの焦点位置に金属粉末材料を噴射することが考えられる。すると、完全に溶融していない金属粉末材料が加工対象物の表面に付着し、凝固することで加工対象物の表面粗さが大きくなる。ところが、この場合、光ビームは、焦点位置で金属粉末材料を加熱した後、加工対象物の加工部分に照射される。そのため、加工対象物の加工部分への熱影響が大きくなり、加工対象物の熱変形や強度が低下してしまうという課題がある。
　本開示は、上述した課題を解決するものであり、加工対象物の加工面への熱影響を抑制して加工対象物に材料を付加させる表面加工装置および方法並びに三次元積層装置を提供することを目的とする。
　上述した目的を達成するための本開示の表面加工装置は、加工対象物に材料を付加する表面加工装置であって、前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する粉末供給部と、前記加工対象物に到達前の前記粉末材料に対して光ビームを照射する光照射部と、を備え、前記加工面における前記光ビームの照射位置と粉末材料の噴射位置とをオフセットさせる、ことを特徴とする。
　そのため、粉末供給部は、加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給し、光照射部は、加工対象物に到達前の粉末材料に対して光ビームを照射する。このとき、加工面における光ビームの照射位置と粉末材料の噴射位置とをオフセットさせる。その結果、光ビームが加工対象物の加工部分に照射されることがなく、加工対象物の加工面への熱影響を抑制して加工対象物に材料を付加させることができる。
　本開示の表面加工装置では、前記光照射部は、前記光ビームにより半溶融した前記粉末材料を前記加工対象物の加工面で固化させることを特徴とする。
　そのため、粉末供給部は、加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給し、光照射部は、加工対象物に到達前の粉末材料に対して光ビームを照射する。すると、光ビームにより半溶融した粉末材料が加工対象物の加工面で固化されることとなり、加工対象物の加工面への熱影響を抑制して加工対象物に材料を付加させることができる。
　本開示の表面加工装置では、前記粉末供給部は、前記光照射部から照射された前記光ビームの焦点に向けて粉末材料を供給し、前記焦点は、前記加工面から所定距離だけ離間していることを特徴とする。
　そのため、粉末供給部は、光照射部から照射された光ビームの焦点に向けて粉末材料を供給することから、粉末材料は光ビームにより適正に半溶融し、半溶融した粉末材料を加工対象物の加工面に付着させて固化することができる。
　本開示の表面加工装置では、前記粉末供給部は、重力方向に沿って粉末材料を供給することを特徴とする。
　そのため、粉末供給部が重力方向に沿って粉末材料を供給することから、光ビームにより半溶融状態となった粉末材料を加工対象物の加工面の所定の位置に付着させることができ、加工精度の向上や表面粗さの改善を図ることができる。
　本開示の表面加工装置では、前記光照射部は、前記加工対象物の加工面に対して鋭角の照射角度で加工方向の前方側に向けて前記光ビームを照射することを特徴とする。
　そのため、光照射部が加工対象物の加工面に対して直角ではなく鋭角の照射角度で光ビームを照射することから、光ビームが加工対象物の加工面から反射しやすくなり、加工対象物の加工面における熱影響を軽減することができる。
　また、本開示の表面加工方法は、加工対象物に材料を付加する表面加工方法であって、前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する工程と、前記加工対象物に到達前の前記粉末材料に対して光ビームを照射する工程と、前記加工面における前記光ビームの照射位置と粉末材料の噴射位置とをオフセットさせる工程と、を有することを特徴とする。
　そのため、光ビームが加工対象物の加工部分に照射されることがなく、加工対象物の加工面への熱影響を抑制して加工対象物の表面粗さを良好に調整することができる。
　また、本開示の三次元積層装置は、加工対象物に成形層を積層させて三次元形状物を形成する三次元積層装置であって、前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、を備え、前記粉末供給部は、前記加工対象物の加工面における前記光ビームの到達位置に向けて前記粉末材料を供給する第１粉末流路と、前記加工対象物に到達前の前記光ビームに向けて前記粉末材料を供給する第２粉末流路とを有し、前記光照射部は、前記加工対象物に到達前の前記粉末材料を通して加工方向の前方側に向けて光ビームを照射可能であることを特徴とする。
　そのため、粉末供給部が第１粉末流路により加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給し、光照射部が加工対象物の加工面における粉末材料の到達位置に光ビームを照射すると、光ビームが照射された粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層を形成することができる。一方、粉末供給部が第２粉末流路により加工対象物に到達前の光ビームに向けて粉末材料を供給すると、光ビームが照射された粉末材料を半溶融させ、半溶融した粉末材料が加工対象物の加工面に付着して固化することで表面粗さ調整層を形成することができる。その結果、光ビームが加工対象物の加工部分に照射されることがなく、加工対象物の加工面への熱影響を抑制して加工対象物に材料を付加させることができる。
　本開示の三次元積層装置では、前記粉末供給部は、粉末材料を供給する粉末流路を前記第１粉末流路と前記第２粉末流路との間で切替える流路切替部を有することを特徴とする。
　そのため、流路切替部により第１粉末流路と第２粉末流路とを切替えることで、粉末材料の噴射位置を変更することができ、三次元積層工程と表面加工工程とを容易に選択することができる。
　本開示の三次元積層装置では、前記光照射部から前記加工対象物の加工面に照射される前記光ビームの照射角度を変更可能であることを特徴とする。
　そのため、加工対象物の加工面に照射される光ビームの角度を容易に変更することができ、光ビームを加工対象物の加工面から反射させることで、加工対象物の加工面における熱影響を軽減することができる。
　本開示の表面加工装置および方法並びに三次元積層装置によれば、加工対象物の加工面への熱影響を抑制して加工対象物に材料を付加させることができる。
図１は、本実施形態の三次元積層装置を示す模式図である。 図２は、積層ヘッドの先端部の一例を示す縦断面図である。 図３は、積層ヘッドの先端部の一例を示す水平断面図である。 図４は、制御装置の構成を示す模式図である。 図５は、三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図６は、三次元積層装置による表面粗さ調整方法を示す説明図である。
　以下に添付図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
　図１は、本実施形態の三次元積層装置を示す模式図である。ここで、本実施形態では、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち、鉛直方向）をＺ軸方向とする。
　図１に示すように、三次元積層装置１は、基台部１００に三次元形状物を製造する装置である。基台部１００は、三次元形状物が形成される土台となる部材であり、三次元積層装置１で所定の位置に搬送され、加工面に三次元形成物が形成される。本実施形態の基台部１００は、板状の部材である。なお、基台部１００は、これに限定されない。基台部１００は、三次元形状物の土台となる部材を用いてもよいし、三次元形状物を付加する部材を用いてもよい。所定の位置に三次元形成物が形成されることで、部品、製品となる部材を基台部１００として用いてもよい。
　三次元積層装置１は、三次元積層室２と、予備室３と、積層ヘッド収納室４と、機械加工部収納室５と、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３と、制御装置２０と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１と、装置計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４と、粉末導入部３５と、基台移動部３６と、空気排出部３７と、ガス導入部３８と、粉末回収部３９とを有する。
　三次元積層室２は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている筐体（チャンバー）である。なお、設計された連通部分は、密閉状態と開放状態を切り換えるバルブ等が設けられており、必要に応じて、三次元積層室２を密閉状態とすることができる。三次元積層室２は、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３の一部と、加熱ヘッド３１の一部と、装置計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４とが内部に配置されている。
　予備室３は、三次元積層室２に隣接して設けられている。予備室３は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている。予備室３は、外部と三次元積層室２とを接続する減圧室となっている。予備室３内には、基台移動部３６が設けられている。ここで、予備室３は、三次元積層室２の接続部に、例えば、気密性を有する扉６が設けられている。また、予備室３は、気密性を有する扉７により外部と接続されている。また、予備室３には、予備室３から空気を排出する空気排出部２５が設けられている。予備室３は、扉７を開くことで、外部から必要な部材を内部に搬入することができる。また、予備室３は、扉６を開くことで、三次元積層室２との間で部材の搬入、搬出を行うことができる。
　積層ヘッド収納室４は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０２の方向）に移動可能な状態で支持されている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１８により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１８は、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２と繋げ、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１８で囲われた領域に開口が形成されている。積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面とベローズ１８とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とを支持している。また、積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２のノズル２３を含む一部と、加熱ヘッド３１の先端部２４を含む一部とがＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。
　積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａでＺ軸方向に移動することで、保持している積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とをＺ軸方向に移動させる。また、積層ヘッド収納室４は、ベローズ１８を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１８がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と積層ヘッド収納室４との間の密閉状態を維持できる。
　機械加工部収納室５は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。また、機械加工部収納室５は、積層ヘッド収納室４に隣接して配置されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０４の方向）に移動可能な状態で支持されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１９により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１９は、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２とを繋げ、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１９で囲われた領域に開口が形成されている。機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面とベローズ１９とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。機械加工部収納室５は、機械加工部１３を支持している。また、機械加工部収納室５は、機械加工部１３の工具２２を含む一部がＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。
　機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａでＺ軸方向に移動することで、保持している機械加工部１３をＺ軸方向に移動させる。また、機械加工部収納室５は、ベローズ１９を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１９がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と機械加工部収納室５との間の密閉状態を維持できる。
　ベッド１０は、三次元積層室２内のＺ軸方向の底部に設けられている。ベッド１０は、テーブル部１１を支持している。ベッド１０は、各種配線や配管や駆動機構が配置されている。
　テーブル部１１は、ベッド１０の上面に配置され、基台部１００を支持する。テーブル部１１は、Ｙ軸スライド部１５と、Ｘ軸スライド部１６と、回転テーブル部１７とを有する。テーブル部１１は、基台部１００を取り付けて基台部１００をベッド１０上で移動させる。
　Ｙ軸スライド部１５は、ベッド１０に対してＸ軸スライド部１６をＹ軸方向（矢印１０６の方向）に沿って移動させる。Ｘ軸スライド部１６は、Ｙ軸スライド部１５の稼働部となる部材に固定されており、Ｙ軸スライド部１５に対して回転テーブル部１７をＸ軸方向（矢印１０８の方向）に沿って移動させる。回転テーブル部１７は、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されており、基台部１００を支持している。回転テーブル部１７は、例えば、傾斜円テーブルであり、固定台１７ａと、回転テーブル１７ｂと、傾斜テーブル１７ｃと、回転テーブル１７ｄとを有する。固定台１７ａは、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されている。回転テーブル１７ｂは、固定台１７ａに支持されており、Ｚ軸方向と平行な回転軸１１０を回転軸として回転する。傾斜テーブル１７ｃは、回転テーブル１７ｂに支持されており、回転テーブル１７ｂの支持されている面に直交する回転軸１１２を軸として回動される。回転テーブル１７ｄは、傾斜テーブル１７ｃに支持されており、傾斜テーブル１７ｃの支持されている面に直交する回転軸１１４を軸として回転される。回転テーブル１７ｄは、基台部１００を固定している。
　このように回転テーブル部１７は、回転軸１１０，１１２，１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させることができる。テーブル部１１は、回転テーブル部１７に固定されている基台部１００を、基台部１００は、Ｙ軸スライド部１５およびＸ軸スライド部１６により、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に移動させる。また、テーブル部１１は、回転テーブル部１７により回転軸１１０，１１２，１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させる。テーブル部１１は、さらにＺ軸方向に沿って基台部１００を移動させてもよい。
　積層ヘッド１２は、基台部１００に向けて粉末材料を噴射し、さらに噴射した粉末材料にレーザ光（光ビーム）を照射することにより粉末を溶融させて、溶融した粉末を基台部１００上で固化させて成形層を形成する。積層ヘッド１２に導入される粉末は、三次元形状物の原料となる材料の粉末である。本実施形態において、粉末は、例えば、鉄、銅、アルミニウムまたはチタン等の金属材料などを用いることができる。なお、粉末としては、セラミック等の金属材料以外の材料を用いてもよい。積層ヘッド１２は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。積層ヘッド１２は、Ｚ軸方向の下部にノズル２３が設置されている。積層ヘッド１２は、本体４６にノズル２３が装着されている。
　図２は、積層ヘッドの先端部の一例を示す縦断面図、図３は、積層ヘッドの先端部の一例を示す水平断面図である。
　図２および図３に示すように、ノズル２３は、外管４１と、外管４１の内部に挿入された内管４２とを有する二重管である。外管４１は、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなっている。内管４２は、外管４１の内部に挿入されている。内管４２も、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなる形状である。ノズル２３は、外管４１の内周と内管４２の外周との間が粉末（粉末材料）Ｐの通過する粉末流路（粉末供給部）４３となる。内管４２の内周面側がレーザ光の通過するレーザ経路（光照射部）４４となる。ここで、ノズル２３が装着されている本体４６は、ノズル２３と同様に二重管であり、粉末流路４３とレーザ経路４４も同様に形成されている。積層ヘッド１２は、レーザ経路４４の周囲を囲うように粉末流路４３が配置されている。本実施形態では、粉末流路４３が、粉末を噴射する粉末噴射部となる。積層ヘッド１２は、粉末導入部３５から導入された粉末Ｐが粉末流路４３を流れ、外管４１と内管４２との間の端部の開口であるノズル噴射口部（粉末供給部）４５から噴射される。また、粉末導入部３５に連結される粉末流路４３に流路切替部６１が設けられる。
　積層ヘッド１２は、粉末Ｐを、所定の収束位置において所定の収束径を有するように噴射する。ここで、収束径とは、噴射された粉末Ｐの軌跡の径が最小になる場合の粉末Ｐの軌跡の径である。上述のように、ノズル２３は先端に向かって径が小さくなっているので、積層ヘッド１２は、粉末Ｐを、放射方向内側に収束するように噴射する。すなわち、積層ヘッド１２は、粉末Ｐの軌跡が所定の収束径を有するように、粉末Ｐを噴射する。また、収束位置とは、噴射された粉末Ｐの軌跡が収束する位置である。
　また、積層ヘッド１２は、光源４７と光ファイバ４８と集光部４９とを有する。光源４７は、レーザ光を出力する。光ファイバ４８は、光源４７から出力されたレーザをレーザ経路４４に案内する。集光部４９は、レーザ経路４４に配置され、光ファイバ４８から出力されたレーザの光路に配置されている。集光部４９は、光ファイバ４８から出力されたレーザ光Ｌを集光する。集光部４９で集光されたレーザ光Ｌは、内管４２の端部から出力される。積層ヘッド１２は、集光部４９を本体４６に配置したが、集光部４９の一部または全部をノズル２３に配置してもよい。ノズル２３に集光部４９の一部または全部を配置した場合、ノズル２３を交換することで、焦点位置を異なる位置とすることができる。
　積層ヘッド１２は、中心軸Ｏの位置にレーザ光Ｌの通過するレーザ経路４４が設けられ、その外側に複数の粉末流路４３が設けられる。複数の粉末流路４３は、それぞれ流路切替部６１が設けられる。本実施形態では、４個の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄが設けられると共に、４個のノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄが設けられ、４個の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄにそれぞれ流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄが設けられる。流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄは、例えば、ポンプや切替弁などを用いた装置により構成される。流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄは、粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを開放することで粉末Ｐを供給したり、粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを遮断することで粉末Ｐの供給を停止したりすることができる。なお、４個の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄおよび４個のノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄは、周方向に均等間隔で設けられることが好ましいが、均等間隔でなくてもよい。また、粉末流路４３およびノズル噴射口部４５の個数は、４個に限るものではなく、複数個設けられていればよい。
　積層ヘッド１２は、粉末流路４３から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、積層ヘッド１２から出力されたレーザ光Ｌが照射される領域に侵入し、レーザ光Ｌの焦点Ｆでこのレーザ光Ｌによって加熱される。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは溶融した後、基台部１００上に到達する。溶融した状態で基台部１００上に到達した粉末Ｐは、冷却されて固化する。これにより、基台部１００上に成形層を形成する。
　ここで、本実施形態の積層ヘッド１２は、光源４７から出力されたレーザ光Ｌを光ファイバ４８で案内したが、光ファイバ４８に限らず他の伝送部材であってもよい。また、集光部４９は、本体４６に設けてもノズル２３に設けても、両方に設けてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、効果的に加工ができるため、粉末Ｐを噴射する粉末流路４３と、レーザ光Ｌを照射するレーザ経路４４とを同軸に設けたがこれに限定されない。積層ヘッド１２は、粉末Ｐを噴射する機構とレーザ光Ｌを照射する機構とを別体としてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、粉体材料にレーザ光を照射したが、粉体材料を溶解または焼結させることができればよく、レーザ光以外の光ビームを照射してもよい。
　図１に示すように、機械加工部１３は、例えば、成形層等を機械加工する。機械加工部１３は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。機械加工部１３は、Ｚ軸方向の下部に工具２２が装着されている。なお、機械加工部１３は、ベッド１０よりもＺ軸方向上側で、テーブル部１１による基台部１００の移動可能範囲に設けられていればよく、配置位置は本実施形態の位置に限られない。
　図４は、制御装置２０の構成を示す模式図である。
　図１に示すように、制御装置２０は、三次元積層装置１の各部（上述したベッド１０、テーブル部１１、積層ヘッド１２、機械加工部１３、形状計測部３０、加熱ヘッド３１、装置計測部３２、工具交換部３３、ノズル交換部３４、粉末導入部３５、基台移動部３６、空気排出部３７、ガス導入部３８、粉末回収部３９など）の駆動部と電気的に接続されており、三次元積層装置１の各部の動作を制御する。制御装置２０は、三次元積層室２や予備室３の外部に設置されている。制御装置２０は、図４に示すように、入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５とを有する。入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５との各部は電気的に接続されている。
　入力部５１は、例えば、操作パネルである。作業者は、入力部５１に情報や指令等を入力する。制御部５２は、例えば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）およびメモリである。制御部５２は、三次元積層装置１の各部に、三次元積層装置１の各部の動作を制御する指令を出力する。また、制御部５２には、三次元積層装置１の各部からの情報等が入力される。記憶部５３は、例えば、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）またはＲＯＭ（Read　Only　Memory）等の記憶装置である。記憶部５３には、制御部５２で実行されることで各部の動作を制御する三次元積層装置１の運転プログラムや、三次元積層装置１の情報、または三次元形状物の設計情報等が記憶される。出力部５４は、例えば、ディスプレイである。出力部５４は、例えば、三次元積層装置１の各部からの情報等を表示する。通信部５５は、例えば、インターネットまたはＬＡＮ（Local　Area　Network）等のような通信回線と通信して、通信回線との間で情報をやり取りする。なお、制御装置２０は、少なくとも制御部５２および記憶部５３を有していればよい。制御装置２０は、制御部５２および記憶部５３を有していれば、三次元積層装置１の各部に指令を出力することができる。
　本実施形態の三次元積層装置１は、図２および図３に示すように、加工対象物に成形層を積層させて三次元形状物を形成するものである。そして、三次元積層装置１は、加工対象物の表面粗さを調整する表面加工装置として利用することができる。すなわち、三次元積層装置１は、三次元形状物の製造と加工対象物の表面粗さの調整とを一台の装置で実現することができる。
　表面加工装置として利用される三次元積層装置１は、加工対象物の加工面に向けて粉末Ｐを供給する粉末供給部としての粉末流路４３およびノズル噴射口部４５と、加工対象物に到達前の粉末Ｐを通して加工方向の前方側に向けてレーザ光Ｌを照射することで半溶融した粉末Ｐを加工対象物の加工面で固化させる光照射部としてのレーザ経路４４とを備える。
　このとき、粉末流路４３およびノズル噴射口部４５は、レーザ経路４４から照射されたレーザ光Ｌの焦点Ｆに向けて粉末Ｐを供給する。ノズル噴射口部４５は、重力方向に沿って粉末Ｐを供給する。一方、レーザ経路４４は、加工対象物の加工面に対して鋭角の照射角度でレーザ光Ｌを照射する。この場合、積層ヘッド１２は、中心軸Ｏが鉛直方向に対して傾斜可能であり、水平な加工対象物の加工面に対して所定角度で傾斜させることができる。そのため、積層ヘッド１２は、レーザ経路４４から照射されたレーザ光Ｌの照射角度が、加工対象物の加工面に対して鋭角となり、粉末流路４３から噴射された粉末Ｐの噴射角度が重力方向、つまり、加工対象物の加工面に対して直角となる。
　すなわち、粉末流路４３として、三次元形状物の製造時に、加工対象物の加工面におけるレーザ光Ｌの到達位置に向けて粉末Ｐを供給する第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃと、加工対象物の表面粗さの調整時に、加工対象物に到達前のレーザ光Ｌに向けて粉末Ｐを供給する第２粉末流路４３ｄとが設けられる。そして、レーザ経路４４は、加工対象物に到達前の粉末Ｐを通して加工方向の前方側に向けてレーザ光Ｌを照射可能である。この場合、中心軸Ｏに対する第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃにおけるノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃの噴射角度と、第２粉末流路４３ｄにおけるノズル噴射口部４５ｄの噴射角度とが相違する。但し、中心軸Ｏに対する第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃにおけるノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃの噴射角度と、第２粉末流路４３ｄにおけるノズル噴射口部４５ｄの噴射角度とを同様とし、積層ヘッド１２の傾斜角度により、加工対象物に到達前の粉末Ｐを通して加工方向の前方側に向けてレーザ光Ｌを照射可能とすると共に、粉末流路４３から噴射された粉末Ｐの噴射角度を重力方向としてもよい。
　そして、第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃと第２粉末流路４３ｄとの間で切替える流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄが設けられる。つまり、流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄの作動により、粉末Ｐを導入する経路を粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄから選択し、所望のノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄから粉末Ｐを噴射することができる。また、このとき、積層ヘッド１２を傾斜させることで、レーザ経路４４から加工対象物の加工面に照射されるレーザ光Ｌの照射角度を変更可能である。
　ここで、三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法および加工対象物の表面粗さ調整方法について説明する。図５は、三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図、図６は、三次元積層装置による表面粗さ調整方法を示す説明図である。
　三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法において、図１および図５に示すように、本実施形態においては、加工対象物９０の加工面９１に三次元形状物を製造する場合として説明する。加工対象物９０は、例えば、金属製の板状部材であるが、上部に三次元形状物が製造されるものであれば、形状および材料は任意である。加工対象物９０は、基台部１００上に取付けられる。
　制御装置２０は、テーブル部１１により、基台部１００上の加工対象物９０が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に配置されるように、基台部１００を移動させる。制御装置２０は、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末を導入し、積層ヘッド１２から気体と共に粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射する。粉末Ｐは、所定の収束径をもって、基台部１００上の加工対象物９０に向かって噴射される。レーザ光Ｌは、積層ヘッド１２と加工対象物９０との間において、所定のスポット径をもって粉末Ｐに照射される。ここで、粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置に対するレーザ光Ｌのスポット径のＺ軸方向での位置および粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置におけるスポット径は、例えば、集光部４９の位置を動かすことにより制御することができる。
　すなわち、積層ヘッド１２は、流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄの作動により第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃからだけ粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。レーザ経路４４からのレーザ光Ｌは、加工対象物９０の加工面９１の近傍に焦点Ｆが設定され、粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ（ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ）からの粉末Ｐは、このレーザ光Ｌの焦点に向けて噴射される。そのため、積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、加工対象物９０の加工面９１にあるレーザ光Ｌの焦点Ｆでこのレーザ光Ｌによって加熱され、溶融池を形成する。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは、加工対象物９０の加工面９１の近傍で溶融した後、加工対象物９０の加工面９１に到達する。溶融した状態で加工対象物９０の加工面９１に到達した粉末Ｐは、ここで冷却されて固化される。これにより、加工対象物９０の加工面９１に成形層９２が形成される。
　制御装置２０は、テーブル部１１で加工対象物９０を所定の移動方向Ｍ１に移動させつつ、積層ヘッド１２から加工対象物９０の加工面９１に対してレーザ光Ｌを照射すると共に粉末Ｐを噴射する。そのため、加工対象物９０の加工面９１に連続した成形層９２が形成される。この場合、三次元積層装置による形成方向は、Ｍ２となる。三次元積層装置１は、このような成形層９２の形成を繰り返すことによって、複数の成形層が一体として積層された三次元形状物を製造する。
　三次元積層装置１による表面粗さ調整方法において、図１および図６に示すように、本実施形態においては、加工対象物９０の加工面９１の表面粗さを調整する場合として説明する。
　制御装置２０は、テーブル部１１により、基台部１００上の加工対象物９０が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に配置されるように、基台部１００を移動させる。そして、加工対象物９０の加工面９１は、水平方向であり、積層ヘッド１２の中心軸Ｏを加工対象物９０の水平な加工面９１に対して傾斜させ、レーザ光Ｌの照射角度αを鋭角に設定する。この場合、積層ヘッド１２に対して基台部１００を傾斜させることで、レーザ光Ｌの照射角度αを鋭角に設定してもよい。制御装置２０は、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末を導入し、積層ヘッド１２から気体と共に粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射する。粉末Ｐは、所定の収束径をもって、基台部１００上の加工対象物９０に向かって噴射される。レーザ光Ｌは、積層ヘッド１２と加工対象物９０との間において、所定のスポット径をもって粉末Ｐに照射される。
　すなわち、積層ヘッド１２は、流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄの作動により第２粉末流路４３ｄ（ノズル噴射口部４５ｄ）からだけ粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。レーザ経路４４からのレーザ光Ｌは、加工対象物９０の加工面９１から所定距離だけ離間した位置に焦点が設定され、粉末流路４３ｄからの粉末Ｐは、このレーザ光Ｌの焦点に向けて噴射される。そのため、積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、重力方向に沿って移動し、加工対象物９０の加工面９１から離間したレーザ光Ｌの焦点Ｆでこのレーザ光Ｌによって加熱される。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは、加工対象物９０の加工面９１から離間した位置で溶融または半溶融した後、加工対象物９０の加工面９１に到達する。溶融または半溶融した粉末Ｐは、レーザ光Ｌの焦点位置と加工対象物９０との間で、あるいは、加工対象物９０の加工面９１における到達位置で冷却され、加工対象物９０の加工面９１上に固化、付着される。これにより、加工対象物９０の加工面９１に表面粗さ調整層９３が形成される。
　積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、レーザ光Ｌの焦点Ｆでのみ加熱されることから、一部の粉末Ｐは完全な溶融状態となり加工面９１に固化、付着されるが、一部は完全な溶融状態にならずに半溶融状態となることがある。半溶融状態とは、粉末を構成する粒状体の外周面のみが溶融し、内部が溶融していない状態である。そのため、半溶融状態である粉末Ｐが加工対象物９０の加工面９１に到達すると、溶融部により加工対象物９０の加工面９１に付着するが、粉末Ｐ自体が完全に溶融していないことから、加工対象物９０の加工面９１は、粉末Ｐを構成する多数の粒状体によりザラザラとした質感を有する凹凸形状、つまり、表面粗さが大きくなるように調整される。ここで、表面粗さが大きいとは、例えば、算術平均粗さＳａが５０μｍ以上であるような表面形状を含むが、これに限定されるものではない。
　制御装置２０は、テーブル部１１で加工対象物９０を所定の移動方向Ｍ１に移動させつつ、積層ヘッド１２から加工対象物９０の加工面９１に対してレーザ光Ｌを照射すると共に粉末Ｐを噴射する。そのため、加工対象物９０の加工面９１に連続した表面粗さ調整層９３が形成される。この場合、三次元積層装置による加工方向は、Ｍ２となる。そのため、積層ヘッド１２から照射されたレーザ光Ｌは、焦点Ｆで粉末Ｐを加熱した後、半溶融状態である粉末Ｐが加工対象物９０の加工面９１に付着した位置より、加工方向Ｍ２の前方側の加工対象物９０の加工面９１に到達する。このとき、レーザ光Ｌの照射角度αが直角ではなく鋭角であることから、加工対象物９０の加工面９１から反射しやすくなり、加工対象物９０の加工面９１自体が加熱されることが抑制される。ここで、照射角度αは、例えばα≦６０度であることが好ましい。
　なお、上述の説明では、加工対象物９０の加工面９１に対して１回の表面粗さ調整処理で１層の表面粗さ調整層９３を形成したが、複数回の表面粗さ調整処理で複数層の表面粗さ調整層９３を積層するように形成してもよい。
　このように本実施形態の表面加工装置にあっては、加工対象物９０の加工面９１に向けて粉末Ｐを供給する粉末流路（粉末供給部）４３と、加工対象物９０に到達前の粉末Ｐに対してレーザ光Ｌを照射するレーザ経路（光照射部）４４とを備え、加工面９１におけるレーザ光Ｌの照射位置と粉末Ｐの噴射位置をオフセットさせる。
　そのため、粉末流路４３ｄから加工対象物９０の加工面９１に向けて粉末Ｐを供給し、レーザ経路４４から加工対象物９０に到達前の粉末Ｐに対してレーザ光Ｌを照射する。このとき、加工面９１におけるレーザ光Ｌの照射位置と粉末Ｐの噴射位置とをオフセットさせることから、その結果、レーザ光Ｌが加工対象物９０の加工部分（例えば、成形層９２や表面粗さ調整層９３など）に照射されることがなく、加工対象物９０の加工面９１への熱影響を抑制して加工対象物９０に材料を付加させて表面粗さを良好に調整することができる。
　本実施形態の表面加工装置では、レーザ光Ｌにより半溶融した粉末Ｐを加工対象物９０の加工面９１で固化させる。そのため、粉末流路４３ｄから加工対象物９０の加工面９１に向けて粉末Ｐを供給し、レーザ経路４４から加工対象物９０に到達前の粉末Ｐに対してレーザ光Ｌを照射する。すると、レーザ光Ｌにより半溶融した粉末Ｐが加工対象物９０の加工面９１で固化されることとなり、加工対象物９０の加工面９１への熱影響を抑制して加工対象物９０に材料を付加させて表面粗さを良好に調整することができる。
　本実施形態の表面加工装置では、粉末流路４３からは、レーザ経路４４から照射されたレーザ光Ｌの焦点Ｆに向けて粉末Ｐを供給し、焦点Ｆは、加工面９１から所定距離だけ離間している。そのため、粉末Ｐは、レーザ光Ｌにより適正に半溶融し、半溶融した粉末Ｐを加工対象物９０の加工面９１に付着させて固化することができる。
　本実施形態の表面加工装置では、粉末流路４３から重力方向に沿って粉末Ｐを供給する。そのため、レーザ光Ｌにより半溶融状態となった粉末Ｐを加工対象物９０の加工面９１の所定の位置に付着させることができ、加工精度の向上を図ることができる。
　本実施形態の表面加工装置では、レーザ経路４４から加工対象物９０の加工面９１に対して鋭角の照射角度αで加工方向Ｍ２の前方側に向けてレーザ光Ｌを照射する。そのため、レーザ経路４４から加工対象物９０の加工面９１に対して直角ではなく鋭角の照射角度αでレーザ光Ｌを照射することから、レーザ光Ｌが加工対象物９０の加工面９１から反射しやすくなり、加工対象物９０の加工面９１における熱影響を軽減することができる。
　また、本実施形態の表面加工方法にあっては、加工対象物９０の加工面９１に向けて粉末Ｐを供給する工程と、加工対象物９０に到達前の粉末Ｐに対してレーザ光Ｌを照射する工程と、加工面９１におけるレーザ光Ｌの照射位置と粉末Ｐの噴射位置とをオフセットさせる工程と、を有する。そのため、レーザ光Ｌが加工対象物９０の加工部分（例えば、成形層９２や表面粗さ調整層９３など）に照射されることがなく、加工対象物９０の加工面９１への熱影響を抑制して加工対象物９０に材料を付加させて表面粗さを良好に調整することができる。
　また、本実施形態の三次元積層装置にあっては、加工対象物９０の加工面９１に向けて粉末Ｐを供給する粉末流路（粉末供給部）４３と、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射してレーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層９２を形成するレーザ経路（光照射部）４４とを備え、粉末流路４３は、三次元形状物の製造時に、加工対象物９０の加工面９１におけるレーザ光Ｌの到達位置に向けて粉末Ｐを供給する第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃと、加工対象物の表面粗さの調整時に、加工対象物９０に到達前のレーザ光Ｌに向けて粉末Ｐを供給する第２粉末流路４３ｄとを有し、レーザ経路４４から加工対象物９０に到達前の粉末Ｐを通して加工方向Ｍ２の前方側に向けてレーザ光Ｌを照射可能である。
　そのため、第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃから加工対象物９０の加工面９１に向けて粉末Ｐを供給し、レーザ経路４４から加工対象物９０の加工面９１における粉末Ｐの到達位置にレーザ光Ｌを照射すると、レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層９２を形成することができる。一方、第２粉末流路４３ｄから加工対象物９０に到達前のレーザ光Ｌに向けて粉末Ｐを供給すると、レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐを半溶融させ、半溶融した粉末Ｐが加工対象物９０の加工面９１に付着して固化することで表面粗さ調整層９３を形成することができる。その結果、レーザ光Ｌが加工対象物９０の加工部分に照射されることがなく、加工対象物９０の加工面９１への熱影響を抑制することができる。
　本実施形態の三次元積層装置では、粉末Ｐを供給する粉末流路４３として、第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃと第２粉末流路４３ｄとの間で切替える流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄを設ける。そのため、流路切替部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄにより第１粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃと第２粉末流路４３ｄとを切替えることで、粉末Ｐの噴射位置を変更すことができ、三次元積層工程と表面加工工程とを容易に選択することができる。
　本実施形態の三次元積層装置では、レーザ経路４４から加工対象物９０の加工面９１に照射されるレーザ光Ｌの照射角度αを変更可能である。そのため、加工対象物９０の加工面９１に照射されるレーザ光Ｌの角度を容易に変更することができ、レーザ光Ｌの一部を加工対象物９０の加工面９１から反射させることで、加工対象物９０の加工面９１における熱影響を軽減することができる。
　なお、上述の実施形態にて、光照射部の外側に粉末供給部を配置して一体の積層ヘッドを構成したが、光照射部に隣接して別体の粉末供給部を配置してもよい。
　また、上述の実施形態にて、粉末供給部が噴射する粉末材料を金属粉末材料としたが、樹脂粉末材料等の非金属粉末材料であってもよい。また、光ビームをレーザ光としたが、電子ビームなどとしてもよい。
　また、上述の実施形態にて、本開示の表面加工装置を三次元積層装置として説明したが、表面加工装置の機能だけを有するものを構成してもよい。例えば、表面加工装置用の加工ヘッドと、三次元積層装置用の積層ヘッドとを用意し、交換可能に構成してもよい。
　また、本開示の表面加工装置および方法は、加工対象物の表面粗さの調整に限らず、加工対象物の加工面に材料を付加する目的で使用してもよい。本開示により加工対象物への熱影響を最小限に抑制した材料の付加も可能となる。
　１　三次元積層装置
　２　三次元積層室
　３　予備室
　４　積層ヘッド収納室
　４ａ，５ａ　Ｚ軸スライド部
　５　機械加工部収納室
　６，７　扉
　１０　ベッド
　１１　テーブル部
　１２　積層ヘッド
　１３　機械加工部
　１５　Ｙ軸スライド部
　１６　Ｘ軸スライド部
　１７　回転テーブル部
　１７ａ　固定台
　１７ｂ　回転テーブル
　１７ｃ　傾斜テーブル
　１７ｄ　回転テーブル
　１８，１９　ベローズ
　２０　制御装置
　２２　工具
　２３　ノズル
　２４　先端部
　２５　空気排出部
　３０　形状計測部
　３１　加熱ヘッド
　３２　装置計測部
　３３　工具交換部
　３４　ノズル交換部
　３５　粉末導入部
　３６　基台移動部
　３７　空気排出部
　３８　ガス導入部
　３９　粉末回収部
　４１　外管
　４２　内管
　４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ　粉末流路（粉末供給部）
　４４　レーザ経路（光照射部）
　４５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ　ノズル噴射口部（粉末供給部）
　４６　本体
　４７　光源
　４８　光ファイバ
　４９　集光部
　５１　入力部
　５２　制御部
　５３　記憶部
　５４　出力部
　５５　通信部
　９０　加工対象物
　６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ　流路切替部
　９１　加工面
　９２　成形層
　９３　表面粗さ調整層
　１００　基台部
　１０２，１０４，１０６，１０８　矢印
　１１０　回転軸
　α　照射角度
　Ｆ　焦点
　Ｌ　レーザ光（光ビーム）
　Ｍ１　移動方向
　Ｍ２　加工方向
　Ｏ　中心軸
　Ｐ　粉末

Claims (9)

  1. 　加工対象物に材料を付加する表面加工装置であって、
    　前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する粉末供給部と、
    　前記加工対象物に到達前の前記粉末材料に対して光ビームを照射する光照射部と、
    　を備え、
    　前記加工面における前記光ビームの照射位置と前記粉末材料の噴射位置とをオフセットさせる、
    　ことを特徴とする表面加工装置。
  2. 　前記光照射部は、前記光ビームにより半溶融した前記粉末材料を前記加工対象物の加工面で固化させることを特徴とする請求項１に記載の表面加工装置。
  3. 　前記粉末供給部は、前記光照射部から照射された前記光ビームの焦点に向けて粉末材料を供給し、前記焦点は、前記加工面から所定距離だけ離間していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面加工装置。
  4. 　前記粉末供給部は、重力方向に沿って粉末材料を供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の表面加工装置。
  5. 　前記光照射部は、前記加工対象物の加工面に対して鋭角の照射角度で加工方向の前方側に向けて前記光ビームを照射することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の表面加工装置。
  6. 　加工対象物に材料を付加する表面加工方法であって、
    　前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する工程と、
    　前記加工対象物に到達前の前記粉末材料に対して光ビームを照射する工程と、
    　前記加工面における前記光ビームの照射位置と粉末材料の噴射位置とをオフセットさせる工程と、
    　を有することを特徴とする表面加工方法。
  7. 　加工対象物に成形層を積層させて三次元形状物を形成する三次元積層装置であって、
    　前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する粉末供給部と、
    　前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、
    　を備え、
    　前記粉末供給部は、前記加工対象物の加工面における前記光ビームの到達位置に向けて前記粉末材料を供給する第１粉末流路と、前記加工対象物に到達前の前記光ビームに向けて前記粉末材料を供給する第２粉末流路とを有し、
    　前記光照射部は、前記加工対象物に到達前の前記粉末材料を通して加工方向の前方側に向けて光ビームを照射可能であることを特徴とする三次元積層装置。
  8. 　前記粉末供給部は、粉末材料を供給する粉末流路を前記第１粉末流路と前記第２粉末流路との間で切替える流路切替部を有することを特徴とする請求項７に記載の三次元積層装置。
  9. 　前記光照射部から前記加工対象物の加工面に照射される前記光ビームの照射角度を変更可能であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の三次元積層装置。
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