WO2023286609A1 - レーザ積層造形装置 - Google Patents

レーザ積層造形装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2023286609A1
WO2023286609A1 PCT/JP2022/025974 JP2022025974W WO2023286609A1 WO 2023286609 A1 WO2023286609 A1 WO 2023286609A1 JP 2022025974 W JP2022025974 W JP 2022025974W WO 2023286609 A1 WO2023286609 A1 WO 2023286609A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
powder material
laser
supply path
outer cylinder
shield gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/025974
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
昌樹 近藤
Original Assignee
Dmg森精機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dmg森精機株式会社 filed Critical Dmg森精機株式会社
Publication of WO2023286609A1 publication Critical patent/WO2023286609A1/ja

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/21Bonding by welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34Laser welding for purposes other than joining
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205Means for applying layers
    • B29C64/209Heads; Nozzles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264Arrangements for irradiation
    • B29C64/268Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/364Conditioning of environment
    • B29C64/371Conditioning of environment using an environment other than air, e.g. inert gas
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • a powder material supply unit that supplies powder material toward a surface to be stacked, and a light beam is irradiated to the powder material supplied from the powder material supply unit to the surface to be stacked, thereby melting and solidifying the powder material.
  • the present invention relates to a laser lamination molding apparatus including a laser irradiation unit for forming a hardened layer by causing a hardened layer to be formed.
  • a powder material supply unit and a laser irradiation unit are mounted on one processing head, and the processing head is moved along a predetermined path by a moving mechanism unit, while stacking from the powder material supply unit.
  • the powder material is supplied toward the planned surface, and a laser beam is irradiated from the laser irradiation device toward the supply area of the powder material on the planned lamination surface, thereby melting and solidifying the powder material to form a hardened layer of a desired shape. do.
  • Examples of the configuration of the powder supply unit include a configuration in which the powder material is ejected from an annular powder ejection port surrounding the center of the processing head, and a configuration in which the powder material is ejected from a plurality of powder ejection ports arranged at equal intervals around the central axis of the processing head.
  • a configuration in which the powder material is ejected and a configuration in which the powder material is ejected from a powder ejection port arranged at the center of the processing head are adopted.
  • shielding gas may be supplied so as to surround the supply point of the powder material on the surface to be layered.
  • the shield gas plays a role of preventing oxidation of the powder material (metal) heated and melted by the laser beam and preventing scattering of the powder material to ensure its straightness.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of improving the shielding performance of the shielding gas from the outside air and the straightness guiding performance of the powder material by suppressing the spread of the shielding gas.
  • An object of the present invention is to provide a molding apparatus.
  • a powder material supply unit that includes a supply path forming member that forms a powder material supply path, supplies the powder material toward the stacking surface through the supply path, and supplies the powder material from the powder material supply unit to the stacking surface.
  • a laser irradiation unit that melts and solidifies the powder material to form a hardened layer by irradiating the powder material with a laser beam; and a shield gas supply unit that supplies shield gas through the shield gas supply path so as to surround the outside of the region to which the powder material is supplied on the surface to be laminated.
  • a laser additive manufacturing apparatus comprising A shield gas supply passage on the radially inner side of the outer cylindrical portion and an external space on the radially outer side of the outer cylindrical portion are communicated with each other at the tip portion, which is the end portion of the outer cylindrical portion on the shielding gas discharge side.
  • the present invention relates to a laser layered manufacturing apparatus in which communication holes are formed.
  • laser layered manufacturing is performed by melting and solidifying the powder material supplied from the powder material supply unit to the surface to be layered by the laser beam irradiated from the laser irradiation unit.
  • a shield gas is supplied from a shield gas supply section through a shield gas supply path formed between a powder material supply path forming member and an outer cylinder toward the surface to be laminated.
  • the supply point of the powder material in the plane is surrounded by the shielding gas.
  • an external air flow induced by its inertial force is generated. After colliding with the surface to be laminated, the external air flow is swirled upward to generate a vortex. For this reason, there is a possibility that the end of the shielding gas on the discharge tip side is drawn radially outward by the swirling current, and the entire shielding gas spreads radially outward.
  • a communication hole is formed at the tip of the outer cylinder to communicate the shield gas supply passage with the external space. , the shield gas can be sucked into the shield gas supply passage through the communication hole before developing into the vortex. Therefore, it is possible to suppress the generation of the vortex and further suppress the spread of the shielding gas due to the vortex, thereby ensuring the shielding performance of the shielding gas from the outside air and improving the straightness of the powder material.
  • the outer cylinder part has a double cylinder structure including a first outer cylinder part and a second outer cylinder part that surrounds the outside of the first outer cylinder part, and the supply path forming member and the first outer cylinder part and the space between the first outer cylindrical portion and the second outer cylindrical portion constitute the shield gas supply passage, and the communication hole is located at the tip of the second outer cylindrical portion. is formed in a portion so as to communicate between a shield gas supply passage formed between the second outer cylinder portion and the first outer cylinder portion and an external space outside the second outer cylinder portion. preferably.
  • the shielding gas supply path can be formed in a double structure in the radial direction by forming the outer cylinder portion into a double cylinder structure of the first outer cylinder portion and the second outer cylinder portion.
  • the inner shield gas supply path is formed by the space between the powder material supply path forming member and the first outer cylinder
  • the outer shield gas supply path is formed by the first outer cylinder and the second outer cylinder. It is composed of the space between the parts. Since a communication hole is formed in the second outer cylindrical portion, the external air flow outside the second outer cylindrical portion is sucked into the outer shield gas supply passage through the communication hole before developing into the vortex flow. will be Therefore, it is possible to avoid the problem of spread of the shielding gas due to the generation of the vortex described above.
  • the external air flow sucked through the communication hole flows into the outer shield gas supply passage, but does not flow into the inner shield gas supply passage. Therefore, it is possible to prevent air from being mixed into the shield gas in the inner shield gas supply path, which is closer to the supply point of the powder material. Therefore, it is possible to reliably prevent the oxidation reaction between the air mixed in the shielding gas and the powder material (metal).
  • a plurality of the communication holes are provided, and it is preferable that the plurality of communication holes be arranged along the entire circumference at intervals in the circumferential direction of the outer cylindrical portion in which the communication holes are formed.
  • the external air flow outside the outer cylindrical portion can be sucked into the shield gas supply path through the plurality of communication holes formed along the entire circumference in the circumferential direction. Therefore, it is possible to reliably prevent the shielding gas from spreading due to the external air flow outside the outer cylindrical portion developing into a vortex.
  • the plurality of communication holes are elongated in the axial direction of the outer cylindrical portion in which the communication holes are formed.
  • the communication hole is formed long in the axial direction of the outer cylindrical portion, that is, in the direction in which the external airflow flows when viewed from the radial direction. Therefore, the external airflow outside the outer cylinder can be smoothly and reliably guided to the outer cylinder through the communication hole.
  • the plurality of communication holes are elongated in the circumferential direction of the outer cylindrical portion in which the communication holes are formed.
  • the distance between adjacent communicating holes can be made narrower than when each communicating hole is formed as a simple circular hole.
  • the external airflow outside the outer cylindrical portion can be efficiently guided into the communication hole over the entire circumferential direction.
  • the communication hole is inclined toward the distal end side from the radially outer side toward the inner side of the outer cylindrical portion in which the communication hole is formed.
  • the communication hole is slanted from the radially outer side toward the inner side of the outer cylindrical portion toward the tip portion side (that is, the shielding gas discharge side). Therefore, the external air flow outside the outer cylindrical portion can be smoothly sucked into the shield gas supply passage without going against the flow of the shield gas.
  • the shield gas supply path is also used as an optical path for laser light emitted from the laser irradiation unit toward the surface to be laminated.
  • the size of the entire apparatus can be reduced compared to the case where the optical path for the laser beam and the shield gas supply path are provided separately. can.
  • the shield gas radially inside the outer cylindrical portion is provided at the tip portion of the outer cylindrical portion disposed so as to surround the supply path forming member for the powder material.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser layered manufacturing apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is an enlarged side view showing the tip of the irradiation housing of the laser layered manufacturing apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 1;
  • FIG. FIG. 3 is a view equivalent to FIG. 2 showing Modification 2; 2 equivalent view showing Modification 3.
  • FIG. It is a schematic diagram showing an example of a laser layered manufacturing device concerning other embodiments.
  • FIG. 5 is a view equivalent to FIG. 4 showing a conventional example;
  • the laser layered manufacturing apparatus 1 of the present embodiment includes a processing head 2 , a moving mechanism section 3 and a control device 40 , and the processing head is moved by the moving mechanism section 3 under the control of the control device 40 . 2 is moved along the plane S to be laminated, laser lamination molding is performed.
  • the surface to be laminated S is the surface of the workpiece W (an example of the object to be laminated), but it is not limited to this. It may be a base.
  • the moving mechanism unit 3 includes a ball screw mechanism for linearly moving the machining head 2 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, a tilt mechanism for swinging the machining head 2, and the like.
  • the three-dimensional relative position of the processing head 2 is configured to be changeable.
  • the processing head 2 includes a powder material supply unit 10 that supplies a powder material P to the planned lamination surface S, a laser irradiation unit 20 that irradiates a laser beam L toward the planned lamination surface S, and a shield gas that supplies a shield gas. It has a supply section 30 and an irradiation housing 24 forming an optical path through which the laser light L passes and a shield gas supply path.
  • the powder material supply unit 10 , the laser irradiation unit 20 , the shield gas supply unit 30 and the irradiation housing 24 are unitized via a housing or the like and driven integrally by the moving mechanism unit 3 .
  • the laser irradiation unit 20 has a laser oscillator 21 , a conversion optical system 22 and a condenser lens 23 .
  • the laser oscillator 21 is an oscillator that outputs laser light L, and generally a CO 2 laser oscillator is employed, but it is not limited to this.
  • the laser oscillator 21 is mounted on the processing head 2, but it is not limited to this.
  • the laser light L may be guided to the processing head 2 via an optical transmission line such as an optical fiber.
  • the conversion optical system 22 consists of an optical element that converts the laser light L emitted from the laser oscillator 21 into annular light.
  • the conversion optical system 22 a well-known configuration described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-098373 can be adopted, so detailed description thereof will be omitted.
  • the condenser lens 23 guides the laser beam L annularly converted by the conversion optical system 22 to a space 24a in the irradiation housing 24, which will be described later, and surrounds the supply location of the powder material P on the stacking surface S. Concentrate.
  • the irradiation housing 24 (an example of the outer cylindrical portion) is composed of an inverted truncated cone-shaped cylindrical member arranged coaxially with the supply nozzle 11 .
  • the irradiation housing 24 is arranged so as to surround the supply nozzle 11 (an example of a supply path forming member).
  • a space 24a having a smaller outer diameter is provided. This space 24a constitutes the optical path of the laser beam L that has passed through the condenser lens 23, and is also used as a shield gas supply path.
  • a plurality of communication holes 24c are formed in the lower end of the irradiation housing 24 to communicate the inside and the outside of the space 24a. Details of the communication hole 24c will be described later.
  • the laser beam L emitted from the laser oscillator 21 is converted into annular light through the conversion optical system 22 , passes through the condenser lens 23 , and enters the irradiation housing 24 . It enters the space 24a in the irradiation housing 24 from the upper end opening 24d, and is irradiated from the lower end opening 24b of the irradiation housing 24 toward the surface S to be laminated.
  • the condensing lens 23 converges the laser beam L so that it is focused at a point a predetermined distance away from the lower end opening 24b.
  • the powder material supply unit 10 has a supply nozzle 11 arranged at the axial center of the irradiation housing 24 .
  • the supply nozzle 11 is configured by a hollow tube extending in the vertical direction, and a hollow portion inside the supply nozzle 11 functions as a supply path 11a for the powder material P.
  • the powder material supply unit 10 supplies the powder material (specifically, metal powder) P to the region where the hardened layer is to be formed on the surface to be laminated S through the supply path 11a of the supply nozzle 11, using argon or the like. It is supplied together with a carrier gas consisting of an inert gas.
  • the laser beam L is condensed by a condensing lens 23 so that the focal point is positioned at the convergence point of the powder material P.
  • the metal powder supplied to the lamination-planned surface S together with the carrier gas is heated and melted by the energy of the laser beam L to form a molten pool, and the molten pool that is no longer irradiated with the laser beam L due to the movement of the processing head 2 melts.
  • Hardened layers having a desired shape are laminated by solidifying the metal (such a processing phenomenon is called "laser lamination manufacturing").
  • the shield gas supply unit 30 supplies the shield gas so as to surround the supply location of the powder material P on the surface S to be laminated. Specifically, the shield gas supply unit 30 supplies the shield gas to the stacking surface S from the upper end opening 24 d of the irradiation housing 24 via the space 24 a in the irradiation housing 24 .
  • the shielding gas has the role of preventing the air outside from reacting with the powder material P by surrounding the supply point of the powder material P, and the role of preventing the powder material P from scattering and ensuring its linearity. I am in charge.
  • An inert gas such as argon or helium is generally used as the shield gas.
  • the control device 40 includes a machining program storage unit 41 that stores a machining program, and based on the machining program stored in the machining program storage unit 41, the moving mechanism unit 3, the powder material supply unit 10, the laser oscillator 21, and and a control unit 42 for controlling the shield gas supply unit 30 .
  • the machining program instructs the operation of the laser oscillator 21 such as ON and OFF, the operation of the moving mechanism 3 for controlling the position of the machining head 2, etc. by means of a code.
  • a movement trajectory of the head 2 is defined.
  • the control unit 42 executes the machining program, that is, interprets the code instructed in the machining program and outputs a control signal corresponding thereto. Execute the laser additive manufacturing control with .
  • the movement mechanism 3, the powder material supply unit 10, the laser oscillator 21, and the shield gas supply unit 30 are operated to form a hardened layer having a desired shape on the surface S to be layered.
  • the processing program stored in the processing program storage unit 41 is executed by the control unit 42, and the laser beam is The operations of the oscillator 21, the moving mechanism unit 3, the powder material supply unit 10, and the shield gas supply unit 30 are controlled, and while the processing head 2 and the work W are relatively moving, the work W is moved by the processing head 2. Laser additive manufacturing is performed on it.
  • the laser light L output from the laser oscillator 21 is converted into annular light through the conversion optical system 22, passes through the condenser lens 23, is introduced into the space 24a in the irradiation housing 24, and is introduced into the space 24a in the irradiation housing.
  • 24 is condensed at a focal position a predetermined distance from the lower end opening 24b.
  • Shield gas is supplied from a shield gas supply unit 30 to a space 24 a in the irradiation housing 24 , and the shield gas is jetted out from a lower end opening 24 b of the irradiation housing 24 .
  • the powder material (metal powder) P for laser lamination molding is supplied from the powder material supply unit 10 through the supply nozzle 11 to the focal area of the laser beam L emitted from the irradiation housing 24 as a carrier gas. supplied with Thus, when the metal powder is supplied to the focal region of the laser beam L, it is heated and melted by the laser beam L and deposited on the surface S of the workpiece W to be laminated. At this time, the metal powder heated and melted by the laser light L is prevented from being oxidized by the shielding gas, and its spread in the radial direction is suppressed to ensure straightness.
  • the irradiation housing 24 of the processing head 2 and the workpiece W are position-controlled by the moving mechanism 3 so as to move relative to each other in a three-dimensional space. A laminate-molded product having a predetermined shape is deposited on the .
  • the shielding gas supplied by the shielding gas supply unit spreads outward in the radial direction.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining this problem and schematically shows a shield gas flow g and an external air flow h in a conventional laser additive manufacturing apparatus.
  • the same components as those of the laser layered manufacturing apparatus 1 of this embodiment are indicated by adding 100 to the reference numerals of the components used in this embodiment.
  • a shielding gas flow g is introduced into the space 124a in the irradiation housing 124 from a shielding gas supply unit (not shown) as in the present embodiment,
  • the introduced shielding gas flow g is supplied from the lower end opening 124b of the irradiation housing 124 onto the surface S to be laminated so as to surround the convergence area of the powder material P.
  • An external airflow h is generated around the irradiation housing 124 induced by the inertial force of the shielding gas flow g.
  • the external air flow h After flowing downward along the outer wall surface of the irradiation housing 124, the external air flow h changes course slightly inward in the radial direction so as to be attracted by the shielding gas flow g, and then collides with the intended stacking surface S. Then, it is swirled upward in the radially outer direction and turned into a whirlpool. This swirling eddy current pulls the discharge tip of the shielding gas flow g radially outward, and the entire shielding gas flow g expands radially outward (direction A in FIG. 10). If the shielding gas flow g spreads outward, there arises a problem that the shielding ability of the shielding gas against the outside air and the ability to guide the powder material P in a straight line are deteriorated.
  • the communication hole 24c is formed in the irradiation housing 24 in this embodiment. As shown in FIGS. 1 to 3, the communication hole 24c is formed in the front end portion of the irradiation housing 24 on the shield gas discharge side. In this example, a total of six communication holes 24c are provided. The six communication holes 24c are radially formed around the axial center of the irradiation housing 24 and arranged at regular intervals in the circumferential direction in a plan view. Each communication hole 24c penetrates the irradiation housing 24 in the radial direction so as to communicate between the space 24a (shielding gas supply path) inside the irradiation housing 24 and the external space.
  • the number of communication holes 24c is not limited to six, and may be, for example, seven or more, or may be five or less.
  • the communication hole 24c is formed in the tip portion of the irradiation housing 24, and as shown in FIG.
  • the external airflow h is sucked into the space 24a inside the irradiation housing 24 through the communication hole 24c by the negative pressure of the shielding gas flow g before developing into the vortex described above. Therefore, it is possible to prevent the shield gas flow g from expanding radially outward due to the eddy current. Furthermore, the shielding effect of the shielding gas flow g against the external air is ensured to suppress the oxidation reaction of the powder material P, and the straight guiding performance of the powder material P by the shielding gas flow g is improved to shape the laminate-molded product. Accuracy can be improved.
  • a plurality of communication holes 24c are provided, and the plurality of communication holes 24c are arranged along the entire circumference of the irradiation housing 24 at intervals in the circumferential direction.
  • the external airflow h outside the irradiation housing 24 is directed into the space 24a (within the shield gas supply path) inside the irradiation housing 24 through the plurality of communication holes 24c formed along the entire circumference of the irradiation housing 24. can be inhaled. Therefore, it is possible to reliably prevent the external air flow h outside the irradiation housing 24 from developing into a vortex.
  • the space 24a inside the irradiation housing 24 is used not only as a shield gas supply path but also as an optical path for the laser light L.
  • the space 24a in the irradiation housing 24 is used for two purposes, that is, the shielding gas supply path and the optical path of the laser beam L, so that the size of the entire laser lamination molding apparatus 1 can be reduced. can.
  • FIG. 5 shows Modification 1 of Embodiment 1.
  • the shape of the communication hole 24c is different from that in the first embodiment.
  • the same reference numerals are given to the same components as in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
  • each communication hole 24c is inclined from the radially outer side to the inner side of the irradiation housing 24 toward the distal end side (lower side in this example).
  • the external airflow can be sucked into the communication hole 24c at a gentler angle than in the case where the communication hole 24c penetrates in the radial direction as in the first embodiment.
  • the sucked air can flow smoothly along with the flow of the shielding gas, it is possible to prevent the sucked air from entering the shielding gas. Therefore, it is possible to prevent the mixed air from reacting with the metal powder (powder material P) and reducing the melting efficiency.
  • FIG. 6 shows a second modification of the first embodiment.
  • the shape of the communication hole 24c is different from that in the first embodiment.
  • each communication hole 24c is formed in an elongated hole shape that is long in the axial direction of the irradiation housing 24 .
  • the communication hole 24c can be formed long in the axial direction of the irradiation housing 24, that is, in the direction in which the external air flow h flows when viewed from the radial direction. Therefore, the external airflow h flowing along the outer wall surface of the irradiation housing 24 can be smoothly and reliably guided into the irradiation housing 24 through the communication hole 24c.
  • Modification 1 and Modification 2 it is possible to further facilitate the introduction of the external airflow into the communication hole 24c.
  • FIG. 7 shows a third modification.
  • the shape of the communication hole 24c is different from that in the first embodiment.
  • each communication hole 24c is formed in an elongated hole shape elongated in the circumferential direction of the irradiation housing 24 .
  • the distance between the adjacent communication holes 24c can be made narrower than when each communication hole 24c is formed as a simple circular hole.
  • the external airflow h outside the irradiation housing 24 can be efficiently guided into the communication holes 24c over the entire circumferential direction.
  • FIG. 8 shows a second embodiment.
  • the configuration of the irradiation housing 24 is different from that of the first embodiment and each modification.
  • the irradiation housing 24 has a double-tube structure consisting of a first housing 241 and a second housing 242 surrounding the outside of the first housing 241 .
  • the first housing 241 corresponds to the first outer cylindrical portion
  • the second housing 242 corresponds to the second outer cylindrical portion.
  • Both the first and second housings 241 and 242 are formed of inverted triangular-pyramidal tubular members, and the space 24a in the first housing 241 and the space 24e between the first and second housings 241 and 242 are separated by shielding gas. It constitutes a supply channel.
  • the space 24a within the first housing 241 is also used as an optical path for the laser light L that has passed through the condenser lens 23, as in the first embodiment.
  • a plurality of communication holes 24c are formed in the tip of the second housing 242. As shown in FIG. The shape and arrangement of each communication hole 24c are the same as in the first embodiment. Each communication hole 24c is formed to communicate between a space 24e as a shielding gas supply path formed between the second housing 242 and the first housing 241 and an external space radially outside the second housing 242. It is
  • the external air flow h outside the second housing 242 flows into the space 24e from the communicating hole 24c by the negative pressure of the shielding gas flow g2 flowing in the outer space 24e before developing into the vortex flow. sucked into Therefore, it is possible to avoid the problem of spread of the shielding gas flow g1 caused by the generation of the vortex described above. Therefore, effects similar to those of the first embodiment can be obtained. Further, the external airflow h sucked from the communication hole 24c does not enter the space 24a on the inner side (the side nearer to the supply point of the powder material P). Therefore, it is possible to prevent the shielding gas flow g2 flowing in the inner space 24a from being mixed with the external air flow h and reacting with the powder material P.
  • the irradiation housing 24 is arranged so as to surround the outside of the supply nozzle 11, and the space 24a between the outer peripheral surface of the supply nozzle 11 and the inner wall surface of the irradiation housing 24 is filled with the laser beam L.
  • the configuration used as the optical path and the shield gas supply path has been described, the configuration is not limited to this.
  • the shield gas supply path and the optical path may be provided separately.
  • a supply nozzle 12 having an annular powder supply path 12a is used, and an outer tube housing 26 (an example of an outer tube portion) is arranged so as to surround the outside of the supply nozzle 12 (an example of a supply path forming member). ing.
  • a space 26a inside the supply nozzle 12 is used as an optical path for the laser beam L, and a space 26b between the outer peripheral surface of the supply nozzle 12 and the outer cylinder housing 26 is used as a shielding gas supply path.
  • a communication hole 26c is formed at the lower end of the outer cylinder housing 26, as in each embodiment.
  • the moving mechanism section 3 is configured to be able to change the relative position between the work W and the processing head 2 by moving the processing head 2, but it is not limited to this. That is, the moving mechanism unit 3 is configured to move both the processing head 2 and the work W, or to move the work W with respect to the fixed processing head 2, thereby changing the relative position of the two. may be Moreover, the change in the relative position between the work W and the machining head 2 is not limited to the three-dimensional space, and may be performed in the two-dimensional plane.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

レーザ積層造形装置(1)は、粉末材料(P)の供給路(11a)を形成する供給路形成部材(11)を含む粉末材料供給部(10)と、粉末材料供給部(10)より積層予定面(S)に供給された粉末材料(P)にレーザ光を照射するレーザ照射部(20)と、供給路形成部材(11)の外周面を囲むように配置され、該外周面との間にシールドガス供給路(24a)を形成する外筒部(24)と、シールドガス供給路(24a)を通じて、積層予定面(S)における粉末材料(P)が供給される領域の外側を囲むようにシールドガスを供給するシールドガス供給部(30)とを備えている。外筒部(24)におけるシールドガスの吐出側の端部である先端部には、該外筒部(24)の径方向内側のシールドガス供給路(24a)と該外筒部(24)の径方向外側の外部空間とを連通する連通孔(24c)が形成されている。

Description

レーザ積層造形装置
 本発明は、積層予定面に向けて粉末材料を供給する粉末材料供給部と、粉末材料供給部より積層予定面に供給された前記粉末材料に光ビームを照射することで、粉末材料を溶融固化させて硬化層を形成するレーザ照射部とを備えたレーザ積層造形装置に関する。
 一般的なレーザ積層造形装置では、粉末材料供給部とレーザ照射部とを1つの加工ヘッドに搭載し、該加工ヘッドを移動機構部により所定経路に沿って移動させつつ、粉末材料供給部から積層予定面に向けて粉末材料を供給するとともに、レーザ照射装置から積層予定面における粉末材料の供給領域に向けてレーザ光を照射することで粉末材料を溶融固化して所望の形状の硬化層を形成する。粉体供給部の構成として、例えば、加工ヘッドの中心部を囲む環状の粉体吐出口から粉末材料を噴射する構成、加工ヘッドの中心軸回りに等間隔に配置した複数の粉体吐出口から粉末材料を噴射する構成、及び、加工ヘッドの中心部に配置した粉体吐出口から粉末材料を噴射する構成が採用される。
 この種のレーザ積層造形装置では、例えば、特許文献1及び2に示すように、積層予定面における粉末材料の供給箇所を囲むようにシールドガスを供給する場合がある。シールドガスは、レーザ光により加熱、溶融される粉末材料(金属)の酸化を防止するとともに該粉末材料の飛散を防止してその直進性を確保する役割を担っている。
特開2019-055484号公報 特開2015-196265号公報
 ここで、特許文献1及び2に示すレーザ積層造形装置では、シールドガスの外側に誘起された空気流が積層予定面に衝突した後、上方に巻き上がる渦流となってシールドガスを径方向外側に引き寄せるように作用する。シールドガスが径方向外側に引き寄せられると、シールドガスが積層予定面に到達するまでに径方向外側に広がってしまうため、シールドガスによる外気のシールド性及び粉末材料の直進案内性が低下するという問題が生じる。
 本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであって、シールドガスの広がりを抑制することで、シールドガスによる外気のシールド性及び粉末材料の直進案内性を向上させることが可能なレーザ積層造形装置を提供することにある。
 前記課題を解決するための本発明の一局面は、
 粉末材料の供給路を形成する供給路形成部材を含み、該供給路を介して積層予定面に向けて粉末材料を供給する粉末材料供給部と、該粉末材料供給部より積層予定面に供給された前記粉末材料にレーザ光を照射することで、前記粉末材料を溶融固化させて硬化層を形成するレーザ照射部と、前記供給路形成部材の外周面を囲むように配置され、該外周面との間にシールドガス供給路を形成する外筒部と、前記シールドガス供給路を通じて、前記積層予定面における粉末材料が供給される領域の外側を囲むようにシールドガスを供給するシールドガス供給部とを備えたレーザ積層造形装置であって、
 前記外筒部における前記シールドガスの吐出側の端部である先端部には、該外筒部の径方向内側のシールドガス供給路と該外筒部の径方向外側の外部空間とを連通する連通孔が形成されているレーザ積層造形装置に係る。
 このレーザ積層造形装置によれば、粉末材料供給部より積層予定面に供給された粉末材料が、レーザ照射部より照射されたレーザ光により溶融固化されることでレーザ積層造形が行われる。レーザ積層造形に際しては、粉末材料の供給路形成部材と外筒部との間に形成されたシールドガス供給路を介してシールドガス供給部より積層予定面に向けてシールドガスが供給され、積層予定面における粉末材料の供給箇所が該シールドガスによって囲まれる。これにより、粉末材料が外気と反応して溶融効率が低下するのを防止することができるとともに、粉末材料の直進性が低下して積層造形精度が低下するのを防止することができる。シールドガス供給部によって供給されるシールドガスの外側にはその慣性力によって誘起された外部空気流が発生する。この外部空気流は積層予定面に衝突した後、上方に巻き上げて渦流を発生する。このため、この巻き上げた渦流によってシールドガスの吐出先端側の端部が径方向外側に引き寄せられて、シールドガス全体が径方向外側に広がる虞がある。これに対して、本発明では、外筒部の先端部に、シールドガス供給路と外部空間とを連通する連通孔を形成するようにしたので、シールドガスの外側に誘起される外部空気流を、前記渦流に発展する前に前記連通孔から前記シールドガス供給路内に吸い込むことができる。したがって、前記渦流の発生を抑制し、延いては該渦流によるシールドガスの広がりを抑制して、シールドガスによる外気のシールド性を確保するとともに粉末材料の直進性を向上させることができる。
 前記外筒部は、第1外筒部と、該第1外筒部の外側を囲む第2外筒部とからなる二重筒構造であり、前記供給路形成部材と前記第1外筒部との間の空間、及び、前記第1外筒部と前記第2外筒部との間の空間がそれぞれ前記シールドガス供給路を構成し、前記連通孔は、前記第2外筒部の先端部に形成されて、該第2外筒部及び前記第1外筒部間に形成されたシールドガス供給路と、該第2外筒部の外側の外部空間とを連通するように形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、外筒部を第1外筒部と第2外筒部との二重筒構造とすることで、シールドガス供給路を径方向において二重に形成することができる。内側のシールドガス供給路は、前記粉末材料の供給路形成部材と前記第1外筒部との間の空間により構成され、外側のシールドガス供給路は、第1外筒部と第2外筒部との間の空間により構成される。この第2外筒部には連通孔が形成されているので、第2外筒部の外側の外部空気流は、前記渦流に発展する前にこの連通孔から前記外側のシールドガス供給路に吸い込まれることとなる。したがって、上述した渦流の発生に起因するシールドガスの広がりの問題を回避することができる。また、連通孔から吸い込まれた外部空気流は、外側のシールドガス供給路内に流入するが、内側のシールドガス供給路には流入しない。したがって、粉末材料の供給箇所に近い側である内側のシールドガス供給路内のシールドガスに空気が混入するのを防止することができる。よって、シールドガスに混入した空気と粉末材料(金属)との酸化反応を確実に防止することができる。
 前記連通孔は複数設けられており、複数の前記連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の周方向において、互いに間隔を空けて全周に亘って配置されていることが好ましい。
 この構成によれば、外筒部の外側の外部空気流を、周方向の全周に亘って形成された複数の連通孔からシールドガス供給路内に吸引することができる。よって、外筒部の外側の外部空気流が渦流に発展することに起因するシールドガスの広がりを確実に防止することができる。
 前記複数の連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の軸方向に長い長孔状に形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、連通孔が該外筒部の軸方向、つまり径方向から見て外部空気流の流れる方向に長く形成されている。よって外筒部の外側の外部空気流を、円滑に且つ確実に連通孔から外筒部に導くことができる。
 前記複数の連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の周方向に長い長孔状に形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、各連通孔を単なる円孔に形成した場合に比べて、隣接する連通孔同士の間隔を狭くすることができる。これにより、外筒部の外側の外部空気流を、周方向の全域において効率良く連通孔内に導くことができる。
 前記連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の径方向外側から内側に向かって前記先端部側に傾斜していることが好ましい。
 この構成によれば、連通孔は、外筒部の径方向外側から内側に向かって先端部側(つまりシールドガスの吐出側)に傾斜している。したがって、外筒部の外側の外部空気流を、シールドガスの流れに逆らうことなくシールドガス供給路内にスムーズに吸い込むことができる。
 前記シールドガス供給路は、前記レーザ照射部より前記積層予定面に向けて出射されるレーザ光の光学路として兼用されていることが好ましい。
 この構成によれば、シールドガス供給路がレーザ光の光学路として兼用されているので、レーザ光の光学路とシールドガス供給路とを別々に設ける場合に比べて装置全体を小型化することができる。
 以上のように、本発明に係るレーザ積層造形装置によれば、粉末材料の供給路形成部材を囲むように配置された外筒部の先端部に、該外筒部の径方向内側のシールドガス供給路と径方向外側の外部空間とを連通する連通孔を形成するようにしたことで、シールドガス流により誘起された外部空気流が渦流に発展する前に、該外部空気流を連通孔からシールドガス流路内に吸い込んでシールドガスの広がりを抑制することができる。延いては、シールドガスによる外気のシールド性及び粉末材料の直進案内性を向上させることができる。
実施形態1に係るレーザ積層造形装置の構成を示す概略図である。 実施形態1に係るレーザ積層造形装置の照射ハウジングの先端部を示す拡大側面図である。 図1のIII-III線断面図である。 実施形態1のレーザ積層造形装置におけるシールドガスの流れを説明するための説明図である。 変形例1に係るレーザ積層造形装置における照射ハウジングの先端部の拡大断面図である。 変形例2を示す図2相当図である。 変形例3を示す図2相当図である。 実施形態2を示す図4相当図である。 他の実施形態に係るレーザ積層造形装置の一例を示す概略図である。 従来例を示す図4相当図である。
 以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
 [実施形態1]
 図1に示すように、本実施形態のレーザ積層造形装置1は、加工ヘッド2、移動機構部3及び制御装置40を備えていて、制御装置40による制御の下、移動機構部3により加工ヘッド2を積層予定面Sに沿って移動させながらレーザ積層造形を行う。尚、図1の例では、積層予定面SはワークW(被積層体の一例)の表面とされているが、これに限ったものではなく、例えば既に積層された硬化層の表面や装置の基台であってもよい。
 前記移動機構部3は、加工ヘッド2をX軸、Y軸、及びZ軸方向に直線移動させるためのボールネジ機構や、加工ヘッド2を揺動させるためのチルト機構などから構成され、ワークWに対する加工ヘッド2の3次元の相対位置を変更可能に構成されている。
 前記加工ヘッド2は、積層予定面Sに粉末材料Pを供給する粉末材料供給部10と、積層予定面Sに向けてレーザ光Lを照射するレーザ照射部20と、シールドガスを供給するシールドガス供給部30と、レーザ光Lが通過する光学路及びシールドガス供給路を形成する照射ハウジング24とを有している。粉末材料供給部10、レーザ照射部20、シールドガス供給部30及び照射ハウジング24は、筐体等を介してユニット化されていて前記移動機構部3により一体で駆動される。
 レーザ照射部20は、レーザ発振器21、変換光学系22、及び集光レンズ23を有している。
 レーザ発振器21は、レーザ光Lを出力する発振器で、一般的には、COレーザ発振器が採用されるが、これに限られるものではない。図1の例では、レーザ発振器21は、加工ヘッド2に搭載されているが、これに限ったものではなく、加工ヘッド2とは別の場所に固定しておき、レーザ発振器21から出射されるレーザ光Lを光ファイバー等の光学伝送路を介して加工ヘッド2に導くようにしてもよい。
 変換光学系22は、レーザ発振器21から出射されたレーザ光Lを環状光に変換する光学要素からなる。変換光学系22については、例えば特開2019-098373号公報に記載の周知の構成を採用することができるため、その詳細な説明を省略する。
 集光レンズ23は、変換光学系22にて環状に変換されたレーザ光Lを、後述する照射ハウジング24内の空間24aに導くとともに、積層予定面Sにおける粉末材料Pの供給箇所を囲むように集光する。集光レンズ23の軸心部には、後述する粉末材料供給部10の一部である供給ノズル11が上下方向に貫通している。
 照射ハウジング24(外筒部の一例)は、供給ノズル11と同軸に配置された逆円錐台状の筒状部材からなる。照射ハウジング24は、供給ノズル11(供給路形成部材の一例)を囲むように配置されており、供給ノズル11の外周面と照射ハウジング24の内周面との間には、下側に向かうほど外径が小さくなる空間24aが設けられている。この空間24aは、集光レンズ23を通過したレーザ光Lの光学路を構成するとともにシールドガス供給路としても兼用される。照射ハウジング24の下端部には、空間24aの内外を連通する複数の連通孔24cが形成されている。連通孔24cの詳細については後述する。
 斯くして、前記加工ヘッド2によれば、レーザ発振器21から出力されたレーザ光Lは変換光学系22を介して環状光に変換された後、集光レンズ23を通過して照射ハウジング24の上端開口24dから照射ハウジング24内の空間24aに進入し、照射ハウジング24の下端開口24bから積層予定面Sに向けて照射される。尚、集光レンズ23は、下端開口24bから所定距離離れた点で焦点が合うように前記レーザ光Lを集光する。
 前記粉末材料供給部10は、照射ハウジング24の軸心部に配置された供給ノズル11を有している。供給ノズル11は、上下方向に延びる中空管により構成されていて、供給ノズル11の内側の中空部が粉末材料Pの供給路11aとして機能する。そして、粉末材料供給部10は、供給ノズル11の供給路11aを介して、積層予定面S上における硬化層を形成する領域に、粉末材料(具体的には、金属粉末)Pをアルゴン等の不活性ガスからなるキャリアガスとともに供給する。前記レーザ光Lは、この粉末材料Pの収束箇所に焦点が位置するように集光レンズ23により集光される。キャリアガスとともに積層予定面Sに供給された金属粉末は、レーザ光Lのエネルギによって加熱、溶融されて溶融池が形成され、加工ヘッド2の移動によりレーザ光Lが照射されなくなった溶融池の溶融金属が凝固することにより所望の形状の硬化層が積層される(このような加工現象を「レーザ積層造形」という)。
 前記シールドガス供給部30は、積層予定面Sにおける粉末材料Pの供給箇所を囲むようにシールドガスを供給する。具体的には、シールドガス供給部30は、照射ハウジング24の上端開口24dから照射ハウジング24内の空間24aを経由して積層予定面Sにシールドガスを供給する。シールドガスは、粉末材料Pの供給箇所を囲むことによりその外側の空気が粉末材料Pと反応するのを防止する役割と、粉末材料Pの飛散を防止してその直線性を確保する役割とを担っている。シールドガスとしては、例えばアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスが一般的に用いられる。
 前記制御装置40は、加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部41と、この加工プログラム記憶部41に記憶された加工プログラムを基に、移動機構部3、粉末材料供給部10、レーザ発振器21、及びシールドガス供給部30を制御する制御部42とを備えている。
 前記加工プログラムは、レーザ発振器21のON,OFFなどの動作、前記加工ヘッド2を位置制御する前記移動機構部3の動作などをコードによって指令したものであり、この加工プログラムにより、ワークWに対する加工ヘッド2の移動軌跡が画定される。
 制御部42は、不図示の操作盤より加工サイクルの実行指令を受け付けると、前記加工プログラムを実行、即ち、加工プログラム中に指令されたコードを解釈してこれに応じた制御信号を出力することでレーザ積層造形制御を実行する。レーザ積層造形制御では、移動機構部3、粉末材料供給部10、レーザ発振器21、及びシールドガス供給部30を動作させて積層予定面Sに所望の形状の硬化層を形成する。
 以上の構成を備えた本実施形態のレーザ積層造形装置1によれば、加工プログラム記憶部41に格納された加工プログラムが制御部42によって実行され、この加工プログラムに従って、前記制御部42によって前記レーザ発振器21、移動機構部3、粉末材料供給部10、及びシールドガス供給部30の動作が制御され、加工ヘッド2と前記ワークWとが相対的に移動しながら、当該加工ヘッド2によりワークWに対してレーザ積層造形が実行される。
 即ち、前記レーザ発振器21から出力されたレーザ光Lは変換光学系22を介して環状光に変換された後、集光レンズ23を通過して照射ハウジング24内の空間24aに導入され、照射ハウジング24の下端開口24bから所定距離離れた焦点位置に集光される。また、照射ハウジング24内の空間24aには、シールドガス供給部30からシールドガスが供給されており、このシールドガスが照射ハウジング24の下端開口24bから噴出している。
 そして、この状態で、前記照射ハウジング24から照射されるレーザ光Lの焦点領域に、前記供給ノズル11を介して粉末材料供給部10からレーザ積層造形用の粉末材料(金属粉末)Pがキャリアガスとともに供給される。斯くして、金属粉末がレーザ光Lの焦点領域に供給されると、これがレーザ光Lにより加熱、溶融されて、ワークWの積層予定面S上に堆積される。その際、レーザ光Lにより加熱、溶融される金属粉末はシールドガスによってその酸化が防止されるとともに、径方向への広がりが抑制されて直進性が確保される。そして、加工ヘッド2の照射ハウジング24とワークWとは移動機構部3によって3次元空間内で相対移動するように位置制御されており、このような相対移動によって、ワークWの積層予定面S上に所定形状の積層造形物が堆積される。
 ところで、従来のレーザ積層造形装置では、シールドガス供給部によって供給されるシールドガスが径方向外側に広がってしまうために該シールドガスによる外気のシールド性の低下及び粉末材料Pの直進案内性の低下を招くという問題がある。
 図10は、この問題を説明するための説明図であって従来のレーザ積層造形装置におけるシールドガス流g及び外部空気流hを模式的に示している。尚、図10では、本実施形態のレーザ積層造形装置1と同じ構成要素には、本実施形態で使用した各構成要素の符号に100を加算して示す。
 従来のレーザ積層造形装置において、レーザ積層造形を実行する際には、本実施形態と同様に、シールドガス供給部(図示省略)から照射ハウジング124内の空間124aにシールドガス流gが導入され、導入されたシールドガス流gが、照射ハウジング124の下端開口124bから積層予定面S上に粉末材料Pの収束領域を囲むように供給される。照射ハウジング124の周囲には、シールドガス流gの慣性力によって誘起される外部空気流hが発生する。この外部空気流hは、照射ハウジング124の外壁面に沿って下方に流れた後、シールドガス流gに引き寄せされるように径方向内側に僅かに進路を変えた後、積層予定面Sに衝突し、径方向外側の斜め上方に巻き上げて渦流化する。そして、この巻き上げた渦流によって、シールドガス流gの吐出先端部が径方向外側に引き寄せられ、シールドガス流gの全体が径方向外側(図10のA方向)に広がってしまう。シールドガス流gが外側に広がると、シールドガスによる外部空気のシールド性及び粉末材料Pの直進案内性が低下するという問題が生じる。
 この問題を回避するべく、本実施形態では、照射ハウジング24に連通孔24cを形成するようにしている。図1~図3に示すように、連通孔24cは、照射ハウジング24におけるシールドガスの吐出側の端部である先端部に形成されている。本例では、連通孔24cは合計で6つ設けられている。6つの連通孔24cは、平面視で、照射ハウジング24の軸心を中心として放射状に形成されていて周方向に等間隔に配置されている。そして、各連通孔24cは、照射ハウジング24の内側の空間24a(シールドガス供給路)と外部空間とを連通するように照射ハウジング24の径方向に貫通している。尚、連通孔24cの数は、6つに限ったものではなく、例えば7つ以上であってもよいし、5つ以下であってもよい。
 このように、本実施形態のレーザ積層造形装置1によれば、照射ハウジング24の先端部に連通孔24cを形成するようにしたことで、図4に示すように、シールドガス流gによって誘起された外部空気流hが、上述した渦流に発展する前に、シールドガス流gの負圧によって連通孔24cから照射ハウジング24内の空間24aに吸い込まれる。したがって、シールドガス流gが渦流の影響で径方向外側に広がるのを防止することができる。延いては、シールドガス流gによる外部空気のシールド性を確保して粉末材料Pの酸化反応を抑制するとともに、シールドガス流gによる粉末材料Pの直進案内性を向上させて積層造形物の形状精度を向上させることができる。
 また、連通孔24cは複数設けられており、該複数の前記連通孔24cは、照射ハウジング24の周方向において、互いに間隔を空けて全周に亘って配置されている。
 この構成によれば、照射ハウジング24の外側の外部空気流hを、周方向の全周に亘って形成された複数の連通孔24cから照射ハウジング24内の空間24a(シールドガス供給路内)に吸い込むことができる。よって、照射ハウジング24の外側の外部空気流hが渦流に発展するのを確実に防止することができる。
 また、照射ハウジング24内の空間24aは、シールドガス供給路としてのみでなくレーザ光Lの光学路としても使用される。
 この構成によれば、照射ハウジング24内の空間24aをシールドガス供給路とレーザ光Lの光学路との2つの用途に使用するようにしたことでレーザ積層造形装置1全体を小型化することができる。
 [変形例1]
 図5は、実施形態1の変形例1を示している。この変形例1では、連通孔24cの形状が前記実施形態1とは異なっている。尚、以下の変形例及び実施形態において、実施形態1と同じ構成要素には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
 すなわち、本変形例では、各連通孔24cは、照射ハウジング24の径方向外側から内側に向かってその先端部側(本例では下側)に傾斜している。
 この構成によれば、連通孔24cが実施形態1のように径方向に貫通している場合に比べて、外部の空気流を連通孔24c内に緩やかな角度で吸い込むことができる。また、吸込んだ空気をシールドガスの流れに沿ってスムーズに流動させることができるので、吸い込んだ空気がシールドガス内に混入するのを防止することができる。よって、混入した空気が金属粉末(粉末材料P)と反応して溶融効率が低下するのを防止することができる。
 [変形例2]
 図6は、実施形態1の変形例2を示している。この変形例1では、連通孔24cの形状が前記実施形態1とは異なっている。
 すなわち、本変形例では、各連通孔24cは、照射ハウジング24の軸方向に長い長孔状に形成されている。
 この構成によれば、連通孔24cを照射ハウジング24の軸方向、つまり、径方向から見て外部空気流hの流れる方向に長く形成することができる。よって、照射ハウジング24の外壁面に沿って流れる外部空気流hを、円滑に且つ確実に連通孔24cから照射ハウジング24内に導くことができる。尚、変形例1と変形例2とを組み合わせることで連通孔24cへの外気流の導入をより一層円滑化することができる。
 [変形例3]
 図7は変形例3を示している。この変形例3では、連通孔24cの形状が前記実施形態1とは異なっている。
 すなわち、本変形例では、各連通孔24cは、照射ハウジング24の周方向に長い長孔状に形成されている。
 この構成によれば、各連通孔24cを単なる円孔で形成した場合に比べて、隣接する連通孔24c同士の間隔を狭くすることができる。これにより、照射ハウジング24の外側の外部空気流hを、周方向の全域において効率良く各連通孔24c内に導くことができる。
 [実施形態2]
 図8は実施形態2を示している。この実施形態2では、照射ハウジング24の構成が実施形態1及び各変形例とは異なっている。
 すなわち、本実施形態では、照射ハウジング24は、第1ハウジング241と、該第1ハウジング241の外側を囲む第2ハウジング242とからなる二重筒構造を有している。そうして、第1ハウジング241が第1外筒部に相当し、第2ハウジング242が第2外筒部に相当する。第1及び第2ハウジング241,242は共に逆三角錐状の筒状部材からなり、第1ハウジング241内の空間24aと、第1及び第2ハウジング241,242間の空間24eとがそれぞれシールドガス供給路を構成している。第1ハウジング241内の空間24aは、実施形態1と同様に、集光レンズ23を通過したレーザ光Lの光学路としても兼用されている。
 そして、第2ハウジング242の先端部には複数の連通孔24cが形成されている。各連通孔24cの形状及び配置は実施形態1と同様である。そして、各連通孔24cは、第2ハウジング242及び第1ハウジング241間に形成されるシールドガス供給路としての空間24eと、第2ハウジング242の径方向外側の外部空間とを連通するように形成されている。
 この構成によれば、第2ハウジング242の外側の外部空気流hは、前記渦流に発展する前に、外側の空間24e内を流れるシールドガス流g2の負圧によって連通孔24cから該空間24e内に吸い込まれる。したがって、上述した渦流の発生に起因するシールドガス流g1の広がりの問題を回避することができる。よって、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。また、連通孔24cから吸い込まれた外部空気流hは、内側(粉末材料Pの供給箇所に近い側)の空間24aに進入することはない。よって、内側の空間24a内を流れるシールドガス流g2に外部空気流hが混入して粉末材料Pと反応するのを防止することができる。
 [他の実施形態]
 以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
 前記各施形態及び変形例では、供給ノズル11の外側を囲むように照射ハウジング24を配置して、供給ノズル11の外周面と照射ハウジング24の内壁面との間の空間24aをレーザ光Lの光学路及びシールドガス供給路として利用する構成を説明したが、これに限ったものではなく、例えば、図9に示すように、シールドガス供給路と光学路とを別々に設けるようにしてもよい。この例では、環状の粉末供給路12aを有する供給ノズル12を使用し、供給ノズル12(供給路形成部材の一例)の外側を囲むように外筒ハウジング26(外筒部の一例)を配置している。そして、供給ノズル12の内側の空間26aをレーザ光Lの光学路として利用し、供給ノズル12の外周面と外筒ハウジング26との間の空間26bをシールドガス供給路として利用している。この外筒ハウジング26の下端部には各実施形態と同様に連通孔26cが形成されている。これにより、外筒ハウジング26の外側に誘起された外部空気流hを、渦流に発展する前に連通孔26cからシールドガス流路としての外側の空間26b内に吸い込むことができる。よって、前記各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。尚、供給ノズル12は、環状の粉末供給路12aを有する構成に限らず、例えば、周方向に並ぶ複数の吐出口を有するマルチノズルであってもよい。
 また、前記各実施形態では、移動機構部3は、加工ヘッド2を移動させることでワークWと加工ヘッド2との相対位置を変更可能に構成されているが、これに限ったものではない。すなわち、移動機構部3は、加工ヘッド2及びワークWの双方を移動させるか、又は、固定された加工ヘッド2に対してワークWを移動させることで両者の相対位置を変更するように構成されていてもよい。また、ワークWと加工ヘッド2との相対位置の変更は三次元空間内に限らず、二次元平面内で行うものであってもよい。
 また、本発明は、前記各実施形態及び各変形例の任意の組合せを含む。
 繰り返しになるが、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
P    粉末材料
L    レーザ光
S    積層予定面
1    レーザ積層造形装置
10   粉末材料供給部
11   供給ノズル(供給路形成部材)
11a  粉末材料の供給路
12   供給ノズル(供給路形成部材)
12a  粉末材料の供給路
20   レーザ照射部
24   照射ハウジング(外筒部)
24a  空間(光学路、シールドガス供給路)
24c  連通孔
24e  空間(シールドガス供給路)
26   外筒ハウジング(外筒部)
26a  空間(光学路)
26b  空間(シールドガス供給路)
26c  連通孔
30   シールドガス供給部
241  第1ハウジング(第1外筒部)
242  第2ハウジング(第2外筒部)
 

Claims (7)

  1.  粉末材料の供給路を形成する供給路形成部材を含み、該供給路を介して積層予定面に向けて粉末材料を供給する粉末材料供給部と、該粉末材料供給部より積層予定面に供給された前記粉末材料にレーザ光を照射することで、前記粉末材料を溶融固化させて硬化層を形成するレーザ照射部と、前記供給路形成部材の外周面を囲むように配置され、該外周面との間にシールドガス供給路を形成する外筒部と、前記シールドガス供給路を通じて、前記積層予定面における粉末材料が供給される領域の外側を囲むようにシールドガスを供給するシールドガス供給部とを備えたレーザ積層造形装置であって、
     前記外筒部における前記シールドガスの吐出側の端部である先端部には、該外筒部の径方向内側のシールドガス供給路と該外筒部の径方向外側の外部空間とを連通する連通孔が形成されていることを特徴とするレーザ積層造形装置。
  2.  前記外筒部は、第1外筒部と、該第1外筒部の外側を囲む第2外筒部とからなる二重筒構造であり、
     前記供給路形成部材と前記第1外筒部との間の空間、及び、前記第1外筒部と前記第2外筒部との間の空間がそれぞれ前記シールドガス供給路を構成し、
     前記連通孔は、前記第2外筒部の先端部に形成されて、該第2外筒部及び前記第1外筒部間に形成されたシールドガス供給路と、該第2外筒部の外側の外部空間とを連通するように形成されていることを特徴とする請求項1記載のレーザ積層造形装置。
  3.  前記連通孔は複数設けられており、
     複数の前記連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の周方向において、互いに間隔を空けて全周に亘って配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載のレーザ積層造形装置。
  4.  前記複数の連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の軸方向に長い長孔状に形成されていることを特徴とする請求項3記載のレーザ積層造形装置。
  5.  前記複数の連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の周方向に長い長孔状に形成されていることを特徴とする請求項3記載のレーザ積層造形装置。
  6.  前記連通孔は、該連通孔が形成される外筒部の径方向外側から内側に向かって前記先端部側に傾斜していることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載のレーザ積層造形装置。
  7.  前記シールドガス供給路は、前記レーザ照射部より前記積層予定面に向けて出射されるレーザ光の光学路として兼用されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載のレーザ積層造形装置。
PCT/JP2022/025974 2021-07-16 2022-06-29 レーザ積層造形装置 WO2023286609A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-117980 2021-07-16
JP2021117980A JP6971427B1 (ja) 2021-07-16 2021-07-16 レーザ積層造形装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023286609A1 true WO2023286609A1 (ja) 2023-01-19

Family

ID=78605762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/025974 WO2023286609A1 (ja) 2021-07-16 2022-06-29 レーザ積層造形装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6971427B1 (ja)
WO (1) WO2023286609A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090095214A1 (en) * 2007-10-10 2009-04-16 Ronald Peter Whitfield Laser cladding device with an improved nozzle
JP2015066589A (ja) * 2013-09-30 2015-04-13 三菱重工業株式会社 溶接装置、溶接方法、及びタービン翼
JP2015167970A (ja) * 2014-03-06 2015-09-28 三菱重工業株式会社 レーザノズル、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法
JP2019055484A (ja) * 2017-09-19 2019-04-11 技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構 ノズル、処理装置、及び積層造形装置
JP2019093438A (ja) * 2017-11-27 2019-06-20 小池酸素工業株式会社 レーザノズル

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090095214A1 (en) * 2007-10-10 2009-04-16 Ronald Peter Whitfield Laser cladding device with an improved nozzle
JP2015066589A (ja) * 2013-09-30 2015-04-13 三菱重工業株式会社 溶接装置、溶接方法、及びタービン翼
JP2015167970A (ja) * 2014-03-06 2015-09-28 三菱重工業株式会社 レーザノズル、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法
JP2019055484A (ja) * 2017-09-19 2019-04-11 技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構 ノズル、処理装置、及び積層造形装置
JP2019093438A (ja) * 2017-11-27 2019-06-20 小池酸素工業株式会社 レーザノズル

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023013645A (ja) 2023-01-26
JP6971427B1 (ja) 2021-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5292256B2 (ja) レーザ加工ヘッド、及びレーザ肉盛方法
JPH11291075A (ja) レーザ加工機
US20160375521A1 (en) Processing nozzle, processing head, machining apparatus, and control method and control program of processing nozzle
WO2017115406A1 (ja) 付加加工用ヘッド、加工機械および加工方法
CN110039178B (zh) 一种激光焊接头
JPWO2016135907A1 (ja) 光加工用ノズルおよび光加工装置
JP5937713B1 (ja) 加工機械
JP2011056546A (ja) プラズマトーチおよびプラズマアーク溶接方法
WO2017158738A1 (ja) 光加工用ノズルおよび光加工装置
CN112899680A (zh) 一种送粉喷嘴及激光熔覆与增材制造加工头
JP2007216290A (ja) レーザトーチ
WO2023286609A1 (ja) レーザ積層造形装置
JP2013215786A (ja) レーザ加工装置、レーザ加工システム、レーザ加工方法
KR101930422B1 (ko) 회전형 보호가스 공급장치
WO2019221181A1 (ja) ハイブリッド溶接装置
JP2008114275A (ja) レーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法
JP2012232314A (ja) レーザー加工装置
JP7170952B1 (ja) 付加製造装置および加工ヘッド
CN210209056U (zh) 一种激光焊接头
JP6811824B2 (ja) 加工用ノズルおよび加工装置
JPH11285882A (ja) 制御機能付二重構造ノズル
CN209969853U (zh) 一种具有激光与保护气体隔离结构的激光焊接头
JP2019217509A (ja) レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置
WO2022003870A1 (ja) 加工システム及び光学装置
JP2007152404A (ja) 溶接装置及び溶接方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22841953

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE