WO2023286658A1 - レーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置 - Google Patents

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昌樹 近藤
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Definitions

  • the present invention relates to a laser layered manufacturing method and a laser layered manufacturing apparatus that melt and solidify a powder material with a laser beam to form a hardened layer on a surface to be layered.
  • a typical laser additive manufacturing apparatus includes a processing head equipped with a supply nozzle that supplies powder material and a laser irradiation device that irradiates laser light, and a movement mechanism that moves the processing head.
  • powder material is supplied from the supply nozzle mounted on the processing head toward the surface to be laminated of the object to be laminated, By irradiating a laser beam from a laser irradiation device toward a convergence area of the powder material, the powder material is melted and solidified to form a hardened layer having a desired shape on the surface to be laminated.
  • Patent Document 1 discloses an example of a laser additive manufacturing apparatus.
  • the discharge opening of the supply nozzle is formed in an annular shape so as to surround the axis of the laser light emission path (the optical axis of the laser light).
  • the supply nozzle may be arranged obliquely to the side of the laser emission path. In either case, laser light is typically applied to a focused area of powder material.
  • a laser beam is irradiated to a converging area of the powder material, but from the viewpoint of improving the melting efficiency (stacking efficiency) of the powder material by the laser beam, for example, It is conceivable to offset the irradiation position of the laser light from the convergence region of the powder material.
  • the entire processing head is held horizontally and If the powder material is jetted from the supply nozzle substantially horizontally or slightly obliquely toward the target position, the powder material jetted from the supply nozzle is affected by gravity and converges below the target position. As a result, the relative positional relationship between the irradiation area of the laser light and the convergence area of the powder material changes due to the influence of gravity.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and is intended to improve the melting efficiency of the powder material supplied from the supply nozzle as much as possible, while at the same time increasing the convergence area of the powder material and the irradiation area of the laser beam. It is to provide a laser lamination molding method and a laser lamination molding apparatus capable of maintaining a constant relative positional relationship.
  • a process of supplying a powder material from a supply nozzle toward a surface to be laminated of an object to be laminated and converging it in one place is performed by relatively moving the supply nozzle in a predetermined direction along the surface to be laminated.
  • the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence region of the material is made changeable, and in the laser irradiation step, the irradiation region of the laser beam is positioned behind the convergence region of the powder material in the relative movement direction of the supply nozzle.
  • the powder material supply step Further comprising a position adjustment step of adjusting the position of the supply nozzle, wherein in the position adjustment step, the convergence area of the powder material on the plane to be laminated is shifted downward from the target convergence area due to the influence of gravity. is predicted, and the position of the supply nozzle is controlled so as to correct the amount of deviation.
  • the process of supplying the powder material from the supply nozzle toward the surface to be laminated and converging at one point is continuously performed with the movement of the supply nozzle, and in the laser irradiation step, A laser beam is directed toward a predetermined position relative to the focal region of the powder material.
  • the powder material supplied to the intended lamination surface is melted and solidified by the laser beam, thereby forming a hardened layer on the intended lamination surface.
  • the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence region of the powder material can be changed.
  • the irradiation position of the laser light with respect to the convergence area of the powder material is controlled so that the center position of the irradiation area of the laser light is positioned at the center position of the convergence area of the powder material. be.
  • the melting efficiency of the powder material can be increased as much as possible. That is, when the central position of the convergence area of the powder material is irradiated with the laser beam, the powder material can be melted evenly and reliably. Further, when the laser beam is irradiated behind the convergence area of the powder material in the moving direction of the supply nozzle, the powder material supplied onto the plane to be laminated can be heated and melted without leakage by the laser beam. can.
  • the position adjustment of the supply nozzle is performed by executing the position adjustment process before executing the powder material supply process.
  • the amount of displacement of the convergence area of the powder material ejected from the supply nozzle to the lower side due to the influence of gravity is predicted, and the position of the supply nozzle is controlled so as to correct this amount of displacement.
  • the powder material injected from the supply nozzle can be accurately converged on the target convergence area.
  • a second invention is based on the first invention, wherein in the laser irradiation step, the irradiation area of the laser light is closer to the supply nozzle than the convergence area of the powder material, regardless of the change in the direction in which the supply nozzle is moved.
  • the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence area of the powder material is controlled so as to be located on the rear side in the direction of relative movement.
  • the irradiation area of the laser light in the laser irradiation step, regardless of the direction in which the supply nozzle is moved, the irradiation area of the laser light can be positioned behind the convergence area of the powder material in the relative movement direction of the supply nozzle. . Therefore, it is possible to prevent the relative positional relationship between the convergence area of the powder material and the irradiation position of the laser beam from changing due to the direction of relative movement of the supply nozzle, thereby improving the melting efficiency of the powder material.
  • a third invention is based on the first or second invention, wherein in the laser irradiation step, the irradiation area of the laser light is the powder material regardless of a change in the positional relationship of the convergence area of the powder material with respect to the axis of the supply nozzle.
  • the powder material converges so that it is located behind the convergence area of the material in the relative movement direction of the supply nozzle or so that the center position of the irradiation area of the laser light coincides with the center position of the convergence area of the powder material. It is characterized by controlling the irradiation position of the laser beam with respect to the area.
  • the positional relationship of the laser light irradiation area with respect to the powder material convergence area is maintained constant regardless of the change in the positional relationship of the powder material convergence area with respect to the axis of the supply nozzle. can do.
  • a laser beam is emitted from a light source, and the emitted laser beam is reflected so as to be swingable about a swing axis.
  • the light By reflecting the light onto a mirror to irradiate the surface to be laminated, and adjusting the reflection direction of the laser light by changing the swing angle of the reflecting mirror about the swing axis, It is characterized by controlling the irradiation position of the laser beam.
  • a reflecting mirror that reflects the laser beam is used, and the reflecting mirror is oscillated around the oscillation axis, whereby the laser beam is is adjusted. According to this, the irradiation position of the laser beam can be easily controlled by a simple method of swinging the reflecting mirror.
  • a fifth aspect of the present invention is a powder material supply unit including a supply nozzle that supplies the powder material toward the surface to be laminated of the object to be laminated and converges it at one point, and irradiates a laser beam at a predetermined position with respect to the convergence area of the powder material. and a moving mechanism unit for moving the processing head in a predetermined direction along the intended stacking surface of the layered body, wherein the powder material a laser variable mechanism capable of changing the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence area of the powder material; and a control unit that controls the laser variable mechanism.
  • the laser beam is positioned behind the convergence region in the relative movement direction of the supply nozzle, or the center position of the irradiation region of the laser light coincides with the center position of the convergence region of the powder material.
  • the control unit is configured to control the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence area of the powder material, and the control unit controls the position adjustment of the supply nozzle before starting the supply of the powder material by the powder material supply unit.
  • the position adjustment control the amount of deviation of the convergence area of the powder material on the plane to be stacked is predicted to be below the target convergence area due to the influence of gravity, and this deviation is calculated.
  • the position of the processing head is controlled by the movement mechanism so as to correct the amount.
  • the laser variable mechanism is driven and controlled by the control unit so that the irradiation area of the laser beam is located behind the convergence area of the powder material in the relative movement direction of the supply nozzle, or the laser beam
  • the irradiation position of the laser light is controlled so that the center position of the irradiation region of the powder material coincides with the center position of the convergence region of the powder material.
  • the control unit the amount of deviation of the convergence area of the powder material to the lower side than the target convergence area due to the influence of gravity is predicted, and the position of the processing head is adjusted by the movement mechanism so as to correct the amount of deviation. controlled via Therefore, it is possible to obtain the same effects as those of the first invention.
  • the controller controls that the irradiation area of the laser light is relative to the supply nozzle relative to the convergence area of the powder material, regardless of a change in the direction in which the supply nozzle moves. It is characterized in that the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence area of the powder material is controlled by the laser variable mechanism section so as to be located on the rear side in the movement direction.
  • the laser variable mechanism unit is controlled by the control unit so that the irradiation position of the laser light is located behind the convergence area of the powder material in the supply nozzle movement direction. drive control is executed. This makes it possible to obtain the same effects as those of the second invention.
  • the control unit controls the irradiation area of the powder material regardless of a change in the positional relationship of the convergence area of the powder material with respect to the axis of the supply nozzle.
  • the laser variable mechanism is positioned behind the convergence region of the material in the relative movement direction of the supply nozzle, or so that the center position of the irradiation region of the laser light coincides with the center position of the convergence region of the powder material. It is characterized in that the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence area of the powder material is controlled by the part.
  • the irradiation area of the laser light is located behind the powder material convergence area in the relative movement direction of the supply nozzle regardless of the change in the positional relationship of the powder material convergence area with respect to the axis of the supply nozzle. or so that the central position of the irradiation area of the laser light coincides with the central position of the convergence area of the powder material.
  • a light source that emits a laser beam is further provided, and the light irradiating section reflects the laser beam emitted from the light source so as to It has a reflecting mirror that irradiates a surface to be laminated of the laminate, the laser variable mechanism section has a driving actuator that drives the reflecting mirror around a swing axis, and the control section controls the laser variable mechanism section.
  • the drive actuator changes the swing angle of the reflecting mirror about the swing axis to adjust the reflection direction of the laser light, thereby controlling the irradiation area of the laser light with respect to the convergence area of the powder material. It is characterized by:
  • the controller controls the irradiation position of the laser beam by changing the swing angle of the reflecting mirror about the swing axis.
  • a ninth aspect of the present invention is a powder material supply unit including a supply nozzle that supplies powder material toward the intended lamination surface of the object to be laminated and converges at one point, and irradiates a laser beam at a predetermined position with respect to the convergence area of the powder material.
  • a processing head mounted with a light irradiating part for irradiating light, and the processing head can be moved in a predetermined direction along the surface to be laminated of the object to be laminated, and the processing head can be oscillatingly driven around a predetermined axis extending in the horizontal direction.
  • a laser additive manufacturing apparatus comprising a moving mechanism, a laser variable mechanism capable of changing the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence area of the powder material, and a control unit that controls the laser variable mechanism.
  • the control unit calculates an inclination angle of the axis of the supply nozzle with respect to the vertical direction based on the swing angle of the machining head about the predetermined axis, and calculates the supply nozzle based on the calculated inclination angle.
  • the irradiation area of the laser beam is positioned behind the convergence region of the powder material in the direction of relative movement of the supply nozzle, or the center position of the irradiation region of the laser light coincides with the center position of the convergence region of the powder material.
  • the laser variable mechanism is configured to control the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence area of the powder material.
  • the irradiation position of the laser light with respect to the convergence area of the powder material can be changed, and the irradiation area of the laser light is the convergence of the powder material. Irradiate the converging region of the powder material with a laser beam so that it is positioned behind the region in the direction of movement of the supply nozzle or so that the center position of the irradiation region of the laser light coincides with the center position of the converging region of the powder material.
  • the position of the supply nozzle is adjusted so as to correct this amount of deviation.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser layered manufacturing apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged view corresponding to part A in FIG. 1 and is an explanatory view for explaining the content of laser irradiation processing when the machining head moves from one side to the other side in the X-axis direction; 3 is a plan view showing the positional relationship between the convergence area of the powder material and the irradiation area of the laser light in FIG. 2.
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged view corresponding to part A in FIG.
  • FIG. 1 is an explanatory view for explaining the content of laser irradiation processing when the machining head moves from the other side to the one side in the X-axis direction; 5 is a plan view showing the positional relationship between the convergence area of the powder material and the irradiation area of the laser beam in FIG. 4.
  • the laser lamination molding apparatus 1 of this example includes a processing head 2 , a moving mechanism section 3 and a control device 30 . are 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 movement mechanism section 3 includes a ball screw mechanism for linearly moving the machining head 2 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and swinging the machining head 2 around a predetermined axis (for example, around the Y-axis in this example).
  • a predetermined axis for example, around the Y-axis in this example.
  • the processing head 2 has a powder material supply unit 10 that supplies a powder material to the planned lamination surface S, and a laser irradiation unit 20 (an example of a light irradiation unit) that irradiates a laser beam toward the planned lamination surface S. ing.
  • the powder material supply section 10 and the laser irradiation section 20 are unitized via a housing or the like and are integrally driven by the moving mechanism section 3 .
  • the laser irradiation unit 20 has a laser oscillator 21 (an example of a light source), a collimator lens 22, a reflecting mirror 23, a mirror swinging mechanism 24 (an example of a laser variable mechanism), an irradiation housing 25, and a condenser lens 26. ing.
  • the laser oscillator 21 is an oscillator that outputs laser light, and is generally a CO 2 laser oscillator, but 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 may be guided to the processing head 2 via an optical transmission line such as an optical fiber.
  • the collimator lens 22 and the reflecting mirror 23 are arranged in this order on the downstream side of the light exit port of the laser oscillator 21, and the irradiation housing 25 is arranged below the reflecting mirror 23, A lens 26 is arranged in an optical path 25 a within the illumination housing 25 .
  • the reflecting mirror 23 is supported by a mirror swinging mechanism 24 so as to be swingable about two axes perpendicular to each other.
  • the mirror swinging mechanism 24 has a frame-shaped mirror holder 24 a that supports the reflecting mirror 23 .
  • the mirror holder 24a is arranged so as to be inclined with respect to the horizontal direction when viewed from the Y-axis direction (perpendicular to the paper surface of FIG. 1).
  • the reflecting mirror 23 is formed, for example, in the shape of a disk, and a pair of first swing shafts 24b extending outward in the Y-axis direction are projected from both ends in the Y-axis direction.
  • the pair of first swing shafts 24b are swingably supported by the mirror holder 24a, and one of the first swing shafts 24b is connected to a first swing actuator 24d fixed to the mirror holder 24a.
  • a pair of second swing shafts 24c projecting outward in the orthogonal direction are provided at both ends of the mirror holder 24a in the orthogonal direction orthogonal to the Y-axis direction.
  • the pair of second swing shafts 24c are swingably supported by a support member (not shown), and one of the second swing shafts 24c is connected to a second swing actuator 24e.
  • the first swing actuator 24d and the second swing actuator 24e are composed of, for example, small stepping motors.
  • swing actuators 24d and 24e By controlling the swing actuators 24d and 24e (corresponding to drive actuators), it is possible to adjust the swing angle of the reflection mirror 23 about the first swing axis 24b and the second swing axis 24c.
  • Drive control of each of the swing actuators 24d and 24e is performed by a control section 32, which will be described later.
  • the irradiation housing 25 is composed of a first housing 25b, a second housing 25c, a third housing 25d, a light emission guide 25e, and the like, which are connected to each other in a vertically fitted manner.
  • the irradiation housing 25 has an optical path 25a, which is a space vertically penetrating through the center thereof, and an introduction port (not shown), which is an opening formed at the upper end thereof, receives reflected light from the reflecting mirror 23. to be introduced.
  • a condensing lens 26 is arranged directly below the introduction port of the optical path 25a.
  • the condensing lens 26 is sandwiched and held between the stepped surface of the second housing 25c and the lower surface of the first housing 25b via a cylindrical pressing member 27. As shown in FIG. As the condensing lens 26, for example, an f ⁇ lens is used.
  • the laser light output from the laser oscillator 21 passes through the collimator lens 22 and is converted into parallel light.
  • the incident laser light is condensed by the condensing lens 26 and emitted from an opening 25f formed at the lower end of the light emission guide 25e.
  • the condensing lens 26 condenses the laser light so that it is focused at a point a predetermined distance away from the opening 25f.
  • the powder material supply unit 10 has a supply nozzle 11 arranged around the opening 25f of the light emission guide 25e, and supplies powder material (specifically, metal powder) is supplied together with a carrier gas made of an inert gas such as argon.
  • the laser light is applied to the rear side of the convergence point of the powder material in the head movement direction.
  • the metal powder supplied to the surface to be laminated together with the carrier gas is heated and melted by the energy of the laser beam to form a molten pool. By doing so, hardened layers having a desired shape are laminated (such a processing phenomenon is called “laser lamination molding”).
  • a shielding gas for example, an inert gas such as argon
  • a supply gas unit not shown
  • He is trying to supply and discharge from the opening 25f.
  • the control device 30 includes a machining program storage unit 31 for storing a machining program, and based on the machining program stored in the machining program storage unit 31, the moving mechanism unit 3, the powder material supply unit 10, and the laser irradiation unit. 20 (specifically, the laser oscillator 21 and the rocking actuators 24d and 24e of the mirror rocking mechanism 24).
  • 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 32 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 section 3, the powder material supply section 10, and the laser irradiation section 20 are operated to form a hardened layer having a desired shape on the surface S to be layered.
  • control unit 32 executes the powder supply process and the laser irradiation process in parallel when executing the laser layered manufacturing control.
  • the powder material is supplied from the supply nozzle 11 of the powder material supply unit 10 toward the stacking surface S and is converged at one point by the moving mechanism unit 3. This is performed continuously while moving the head 2 in a predetermined direction (in other words, while moving the supply nozzle 11 in a predetermined direction).
  • the laser oscillator 21 is arranged so that the laser beam is irradiated behind the convergence region r1 of the powder material in the moving direction of the processing head 2 (hereinafter referred to as the head moving direction). and controls the mirror swinging mechanism 24 .
  • the irradiation housing 25 and the supply nozzle 11 are mounted on one processing head 2 and move integrally, the irradiation region r2 of the laser light follows the movement of the convergence region r1 of the powder material in the same direction. Moving.
  • the control unit 32 controls the swing angle of the reflection mirror 23 via the mirror swing mechanism unit 24 (the first swing actuator 24d and the second swing actuator 24e) when executing the laser irradiation process.
  • a laser beam is irradiated on the rear side of the convergence region r1 of the powder material on the planned surface S in the head movement direction.
  • the control unit 32 controls the mirror swinging mechanism 24 so that the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser light is positioned on a straight line passing through the center position C1 of the convergence region r1 and extending in the head movement direction. do.
  • the distance d between the convergence region r1 and the irradiation region r2 is set to, for example, 1 to 1.5 times the diameter of the irradiation region r2 of the laser beam, but is not limited to this.
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged view of part A when the processing head 2 is moved from one side to the other side in the X-axis direction (from the right side to the left side in FIG. 1)
  • FIG. and a laser beam irradiation region r2. 4 and 5 are views corresponding to FIGS. 2 and 3 when the machining head 2 is moved from the other side to the one side in the X-axis direction (from the left side to the right side in FIG. 1).
  • the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser light coincides with the center position C1 of the convergence region r1 of the powder material.
  • the reflecting mirror 23 is moved counterclockwise about the first swing shaft 24b by the first swing actuator 24d of the mirror swing mechanism 24. rotate to As a result, as shown in FIG. 3, the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser beam is positioned rearward in the head movement direction (one side in the X-axis direction) of the center position C1 of the convergence region r1 of the powder material. offset by a distance d.
  • the processing head 2 when the processing head 2 is moved from the other side to the one side in the X-axis direction, the reference state (the state indicated by the thin two-dot chain line in FIG. 4) is , the reflecting mirror 23 is rotated clockwise about the first swing shaft 24b by the first swing actuator 24d of the mirror swing mechanism 24.
  • the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser beam is positioned rearward in the head movement direction (the other side in the X-axis direction) of the center position C1 of the convergence region r1 of the powder material. offset by a distance d.
  • FIGS. 2 to 4 an example in which the moving direction of the processing head 2 is the X-axis direction has been described.
  • the laser irradiation process by the control unit 32 is performed so that the region r2 is positioned behind the convergence region r1 of the powder material in the head movement direction.
  • the controller 32 swings the reflection mirror 23 around the second swing shaft 23c by the second swing actuator 24e of the mirror swing mechanism 24, thereby adjusting the irradiation position of the laser light in the Y-axis direction. Control.
  • laser layered manufacturing control is executed by the control section 32 based on the processing program stored in the processing program storage section 31 .
  • the irradiation region r2 of the laser light is positioned behind the convergence region r1 of the powder material in the head movement direction (the same direction as the supply nozzle movement direction).
  • the irradiation position of the laser light is controlled via the mirror swinging mechanism section 24 .
  • the powder material after the powder material is supplied to the surface S to be laminated, the powder material can be melted by the energy of the laser light. Therefore, compared to the case where the powder material is supplied later to the location irradiated with the laser beam (that is, the case where the irradiation region r2 of the laser beam is located in front of the convergence region r1 of the powder material in the head movement direction), the laser beam energy can be efficiently utilized for heating the powder material. Therefore, the melting efficiency of the powder material can be improved as much as possible.
  • the relative positional relationship between the convergence region r1 of the powder material and the irradiation region r2 of the laser light is maintained constant. Therefore, it is possible to prevent the melting efficiency of the powder material from varying depending on the moving direction of the processing head 2 .
  • the mirror swing mechanism unit 24 controls the swing angle of the reflecting mirror 23 about the swing shafts 24b and 24c to adjust the reflection direction of the laser beam. , the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence region r1 of the powder material is controlled.
  • FIG. 6 shows an example of the second embodiment. This embodiment differs from the first embodiment in that the irradiation position of the laser light is controlled in consideration of the effect of gravity on the powder material ejected from the supply nozzle 11 .
  • the same reference numerals are given to the same components as in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
  • the control unit 32 when executing the laser layered manufacturing control, determines the position of the supply nozzle 11 based on the swing angle (tilt angle) of the processing head 2 about the Y axis. Calculate the tilt angle of the axis with respect to the vertical direction. Then, based on the calculated inclination angle, the controller 32 determines that the convergence region r1 of the powder material injected from the supply nozzle 11 is below the target convergence region (extended position of the axis of the supply nozzle 11) due to the influence of gravity. A shift amount .delta. to the side is predicted, and based on the predicted shift amount .delta. 24.
  • the formula for calculating the deviation amount ⁇ can be calculated based on, for example, the distance from the tip of the supply nozzle 11 to the stacking surface S and the inclination angle of the axis of the supply nozzle 11 .
  • the formula for calculating the amount of deviation ⁇ may be a theoretical formula or an approximate formula calculated in advance based on experiments or the like.
  • FIG. 6 shows a state in which the processing head 2 is rotated around the Y-axis by the movement mechanism 3 and set to a tilt angle of 90° with reference to the state of FIG. 1 (the state in which the axis of the irradiation housing 25 is vertical). showing.
  • FIG. 6 shows, as an example, the case where the processing head 2 is moved from the lower side to the upper side along the Z-axis direction with respect to the vertical stacking surface S.
  • a thin two-dot chain line in the drawing indicates the irradiation state of the laser light when the influence of gravity is not considered.
  • the irradiation area of the laser beam will be positioned above the convergence area r1 of the powder material, that is, on the front side in the head movement direction, and the laser beam will be positioned above the powder material. It is not possible to achieve the control target of positioning the convergence region r1 behind the convergence region r1 in the head movement direction.
  • the irradiation region r2 of the laser light is set to the same amount as the shift amount ⁇ of the convergence region r1 of the powder material, as indicated by the thick two-dot chain line in the figure. Only the lower side is corrected. Thereby, regardless of the tilt angle of the processing head 2, the irradiation region r2 of the laser beam can be positioned behind the convergence region r1 of the powder material in the head movement direction.
  • the position of the convergence region r1 of the powder material with respect to the extended position (target convergence position) of the axis of the supply nozzle 11 changes due to, for example, a change in the tilt angle of the processing head 2. Even if this is the case, the irradiation position of the laser light can be positioned behind the convergence region r1 of the powder material in the head movement direction (the same direction as the supply nozzle movement direction). Therefore, it is possible to more reliably obtain the same effects as those of the first embodiment.
  • the control unit 32 performs the laser irradiation process so that the irradiation region r2 of the laser light is located behind the convergence region r1 of the powder material in the head movement direction (supply nozzle movement direction).
  • the laser irradiation process is performed so that the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser light coincides with the center position C1 of the convergence region r1 of the powder material. It may be configured as By aligning the center position C1 of the convergence region r1 of the powder material with the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser beam in this manner, the powder material can be melted evenly and reliably.
  • the irradiation position of the laser beam with respect to the convergence region r1 is corrected in consideration of the effect of gravity acting on the powder material ejected from the supply nozzle 11.
  • the position of the processing head 2 (and the position of the supply nozzle 11 as well) may be corrected by the moving mechanism 3 in order to correct the shift amount ⁇ of the convergence region r1 of the powder material.
  • the movement mechanism 3 moves the processing head 2 upward by a distance ⁇ so that the supply nozzle 11 moves upward with the processing head 2 by a distance ⁇ to control the convergence region r1 of the powder material to the initial target convergence position.
  • This position adjustment of the supply nozzle 11 (position adjustment of the processing head 2) is preferably performed before the supply of the powder material by the supply nozzle 11 is started.
  • the controller 32 controls the irradiation region r2 of the laser beam to be at the same height as the convergence region r1 of the powder material (thick line in the figure). (See double-dotted line).
  • the convergence area r1 of the powder material is described as being circular, but in consideration of the inclination of the supply nozzle 11, the convergence area r1 may be elliptical in the X-axis direction and laser additive manufacturing control may be performed.
  • the distance between the center position of the ellipse of the convergence region r1 and the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser light is kept constant, or the head is moved in the convergence region r1 of the powder material.
  • the distance from the edge on the rear side of the direction to the center position C2 of the irradiation region r2 of the laser light may be kept constant.
  • 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.
  • only one supply nozzle 11 is arranged on the side of the light emission guide 25e, but the present invention is not limited to this. They may be arranged at equal intervals in the circumferential direction so as to surround the opening 25f. Alternatively, for example, an annular supply nozzle having an annular outlet surrounding the opening 25f may be employed.
  • the reflecting mirror 23 is oscillated about two orthogonal axes by the first oscillating actuator 24d and the second oscillating actuator 24e that constitute the mirror oscillating mechanism 24, but this is not the only option. It's nothing. That is, the actuator for swinging the reflection mirror 23 is not limited to a swing actuator. You may make it implement

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Abstract

レーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置では、レーザ光の照射領域（ｒ２）が粉末材料の収束領域（ｒ１）よりも供給ノズル移動方向の後側に位置するように又は該照射領域（ｒ２）の中心位置が粉末材料の収束領域（ｒ１）の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域（ｒ１）に対する前記レーザ光の照射位置を制御するとともに、積層予定面において前記粉末材料の収束領域（ｒ１）が、重力の影響により、目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように供給ノズルの位置を制御する。

Description

レーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置
　本発明は、レーザ光によって粉末材料を溶融固化して積層予定面に硬化層を形成するレーザ積層造形方法及び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は、粉末材料を供給する供給ノズル及びレーザ光を照射するレーザ照射装置を搭載した加工ヘッドと、加工ヘッドを移動させる移動機構部とを備えている。このレーザ積層造形装置では、移動機構部により加工ヘッドを所定経路に沿って移動させつつ、該加工ヘッドに搭載された供給ノズルから被積層体の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粉末材料の収束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積層予定面に所望の形状の硬化層を形成する。
　例えば特開２０１９－０５５４８４号公報（下記特許文献１）には、レーザ積層造形装置の一例が開示されている。このレーザ積層造形装置では、供給ノズルの吐出開口がレーザ光出射路の軸線（レーザ光の光軸）を囲むように円環状に形成されている。供給ノズルの他の形態として、例えば特開２０１８－０８６６６７号公報（下記特許文献２）に示すように、供給ノズルをレーザ出射路の側方に斜めに配置する場合もある。いずれの場合にも、レーザ光は通常、粉末材料の収束領域に照射される。
特開２０１９－０５５４８４号公報 特開２０１８－０８６６６７号公報
　特許文献１及び２に示すレーザ積層造形装置では、レーザ光を粉末材料の収束領域に照射するようにしているが、レーザ光による粉末材料の溶融効率（積層効率）を向上させる観点から、例えば、レーザ光の照射位置を粉末材料の収束領域からオフセットさせることが考えられる。
　しかし、レーザ光の照射位置をオフセットさせると、加工ヘッドの移動方向が変化した場合に、レーザ光の照射領域と粉末材料の収束領域との相対的な位置関係が変化するため、粉末材料の溶融効率が加工ヘッドの移動方向によってばらつくという問題がある。
　また、レーザ光の照射領域を粉末材料の収束領域からオフセットしていない場合であっても、例えば積層予定面が鉛直面である場合に、加工ヘッド全体を水平に保持した状態で鉛直面上の目標位置に向けて供給ノズルから粉末材料を略水平に又はやや斜めに噴射すると、供給ノズルから噴射された粉末材料が重力の影響を受けて目標位置よりも下側に収束してしまう。この結果、レーザ光の照射領域と粉末材料の収束領域との相対的な位置関係が重力の影響で変化してしまう。
　本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであって、供給ノズルから供給される粉末材料の溶融効率を可及的に向上させつつ、該粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との相対的な位置関係を一定に維持可能なレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置を提供することにある。
　第１の発明は、供給ノズルから被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理を、前記供給ノズルを前記積層予定面に沿って所定の向きに相対移動させつつ連続的に実行する粉末材料供給工程と、該粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射するとともに、前記粉末材料の収束領域が供給ノズルと共に前記所定の向きに相対移動するのに伴ってレーザ光を該所定の向きに移動させるレーザ照射工程とを備え、該レーザ光によって粉末材料を溶融固化して前記積層予定面に硬化層を形成するレーザ積層造形方法であって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能にしておき、前記レーザ照射工程では、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御し、前記粉末材料供給工程の実行前に前記供給ノズルの位置調整を行う位置調整工程をさらに備え、前記位置調整工程では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により、目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように前記供給ノズルの位置を制御することを特徴とする。
　第１の発明では、粉末材料供給工程において、供給ノズルから積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理が供給ノズルの移動と共に連続的に実行され、レーザ照射工程において、粉末材料の収束領域に対する所定位置に向けてレーザ光が照射される。これにより、積層予定面に供給された粉末材料がレーザ光によって溶融固化されることで積層予定面に硬化層が形成される。
　そして、このレーザ積層造形方法においては、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能になっており、レーザ照射工程では、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に位置するように、粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置が制御される。これによれば、供給ノズルから供給される粉末材料の収束領域とレーザ光の照射位置との相対的な位置関係が常に一定に維持されるので、粉末材料の溶融効率のばらつきを抑えて積層効率を向上させることができる。また、レーザ光は粉末材料の収束領域よりも後側又は粉末材料の収束領域の中心位置に照射されるので、粉末材料の溶融効率を可及的に高めることができる。すなわち、粉末材料の収束領域の中心位置にレーザ光を照射する場合には粉末材料を偏りなく確実に溶融させることができる。また、レーザ光を粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの移動方向の後側に照射する場合には、積層予定面上に供給された粉末材料をレーザ光によって漏れなく加熱して溶融させることができる。
　しかも、前記レーザ積層造形方法では、粉末材料供給工程の実行前に位置調整工程が実行されることで供給ノズルの位置調整が行われる。この位置調整工程では、供給ノズルから噴射される粉末材料の収束領域が重力の影響で下側にずれるずれ量を予測し、このずれ量を補正するように供給ノズルの位置が制御される。これにより、供給ノズルから噴射される粉末材料を目標収束領域に精度良く収束させることができる。
　第２の発明は、第１の発明において、前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルを移動させる向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。
　第２の発明では、レーザ照射工程において、供給ノズルを移動させる向きに拘わらず、レーザ光の照射領域を、粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置させることができる。よって、供給ノズルの相対移動方向によって粉末材料の収束領域とレーザ光の照射位置との相対的な位置関係が変化するのを防止し、延いては粉末材料の溶融効率を向上させることができる。
　第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。
　第３の発明では、レーザ照射工程において、供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射領域の位置関係を一定に維持することができる。ここで、供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係が変化する場合とは、例えば、積層予定面が鉛直面であるために、供給ノズルから噴射された粉末材料の収束領域が重力の影響で供給ノズルの軸線の延長上よりも下側にずれるような状況が挙げられる。
　第４の発明は、第１から第３の発明のいずれか１つにおいて、前記レーザ照射工程では、光源からレーザ光を出射し、出射したレーザ光を、揺動軸線回りに揺動可能な反射ミラーに反射させることで前記積層予定面に照射し、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。
　第４の発明では、レーザ照射工程においてレーザ光の照射位置を制御する際には、レーザ光を反射する反射ミラーを使用して、当該反射ミラーを揺動軸線回りに揺動させることでレーザ光の反射方向が調整される。これによれば、反射ミラーを揺動させるという簡単な方法によりレーザ光の照射位置を容易に制御することができる。
　第５の発明は、被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる供給ノズルを含む粉末材料供給部、及び粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射する光照射部を搭載した加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被積層体の積層予定面に沿って所定の向きに移動させる移動機構部とを備えたレーザ積層造形装置であって、前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を変更可能なレーザ可変機構部と、前記レーザ可変機構部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するように構成され、前記制御部は、前記粉末材料供給部による粉末材料の供給を開始する前に、前記供給ノズルの位置調整制御を実行するように構成されており、前記位置調整制御では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように、前記移動機構部により前記加工ヘッドの位置を制御することを特徴とする。
　第５の発明では、制御部によりレーザ可変機構部を駆動制御することで、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するようにレーザ光の照射位置が制御される。また、制御部において、前記粉末材料の収束領域が重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように加工ヘッドの位置が移動機構部を介して制御される。したがって、第１の発明と同様の作用効果を得ることができる。
　第６の発明は、第５の発明において、前記制御部は、前記供給ノズルが移動する向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。
　第６の発明では、供給ノズルが移動する向きの変化に拘わらず、レーザ光の照射位置が粉末材料の収束領域よりも供給ノズル移動方向の後側に位置するように制御部によるレーザ可変機構部の駆動制御が実行される。これにより、第２の発明と同様の作用効果を得ることができる。
　第７の発明は、第５又は第６の発明において、前記制御部は、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする。
　第７の発明では、供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずレーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が該粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように制御部によるレーザ可変機構部の駆動制御が実行される。これにより、第３の発明と同様の作用効果を得ることができる。
　第８の発明は、第５から第７の発明のいずれか１つにおいて、レーザ光を出射する光源をさらに備え、前記光照射部は、前記光源から出射させたレーザ光を反射して前記被積層体の積層予定面に照射する反射ミラーを有し、前記レーザ可変機構部は、前記反射ミラーを揺動軸線回りに駆動する駆動アクチュエータを有し、前記制御部は、前記レーザ可変機構部の前記駆動アクチュエータによって、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射領域を制御するように構成されていることを特徴とする。
　第８の発明では、制御部によって、反射ミラーの揺動軸線回りの揺動角度を変更することでレーザ光の照射位置が制御される。これにより、第４の発明と同様の作用効果を得ることができる。
　第９の発明は、被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる供給ノズルを含む粉末材料供給部、及び粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射する光照射部を搭載した加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被積層体の積層予定面に沿って所定の向きに移動させるとともに、当該加工ヘッドを水平方向に延びる所定軸線回りに揺動駆動可能な移動機構部とを備えたレーザ積層造形装置であって、前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を変更可能なレーザ可変機構部と、前記レーザ可変機構部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記加工ヘッドの前記所定軸線回りの揺動角度を基に、前記供給ノズルの軸線の鉛直方向に対する傾斜角を算出して、算出した傾斜角を基に、前記供給ノズルから噴射される粉末材料の前記積層予定面における収束領域が、重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測し、予測したずれ量を基に、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するように構成されていることを特徴とする。
　第９の発明では、第１の発明と同様の作用効果を得ることができる。
　以上のように、本発明に係るレーザ積層造形方法及びレーザ積層造形装置によれば、粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能にしておき、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも供給ノズル移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、該粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するとともに、積層予定面において粉末材料の収束領域が、重力の影響により、目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように供給ノズルの位置を制御するようにしたことで、供給ノズルから供給される粉末材料の溶融効率を可及的に向上させつつ、該粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との相対的な位置関係を一定に維持することができる。
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。 図１のＡ部に相当する拡大図であって、加工ヘッドがＸ軸方向の一方側から他方側に移動する際のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。 図２における粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との位置関係を示す平面図である。 図１のＡ部に相当する拡大図であって、加工ヘッドがＸ軸方向の他方側から一方側に移動する際のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。 図４における粉末材料の収束領域とレーザ光の照射領域との位置関係を示す平面図である。 実施形態２に係るレーザ積層造形装置において、加工ヘッドのチルト角が９０°に設定され且つ加工ヘッドがＺ軸方向の下側から上側に移動しながらレーザ積層造形を行う場合のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。 実施形態２に係るレーザ積層造形装置において、加工ヘッドのチルト角が９０°に設定され且つ加工ヘッドがＹ軸方向に移動しながらレーザ積層造形を行う場合のレーザ照射処理の内容を説明するための説明図である。
　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、本例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３０を備えていて、制御装置３０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、所定軸回り（本例では例えばＹ軸回り）に加工ヘッド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に向けてレーザ光を照射するレーザ照射部２０（光照射部の一例）とを有している。粉末材料供給部１０及びレーザ照射部２０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（光源の一例）、コリメータレンズ２２、反射ミラー２３、ミラー揺動機構部２４（レーザ可変機構部の一例）、照射ハウジング２５、及び集光レンズ２６を有している。
　レーザ発振器２１は、レーザ光を出力する発振器で、一般的には、ＣＯ２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。
　レーザ発振器２１の光出射口の下流側には、前記コリメータレンズ２２と反射ミラー２３とがこの順に並んで配置されており、前記照射ハウジング２５は反射ミラー２３の下側に配置され、前記集光レンズ２６は、照射ハウジング２５内の光学路２５ａに配置されている。
　反射ミラー２３は、ミラー揺動機構部２４によって互いに直交する２軸回りに揺動可能に支持されている。具体的には、ミラー揺動機構部２４は、反射ミラー２３を支持する枠状のミラーホルダ２４ａを有している。ミラーホルダ２４ａは、Ｙ軸方向（図１の紙面垂直方向）から見て水平方向に対し傾斜するように配置されている。反射ミラー２３は、例えば円板状に形成されていており、そのＹ軸方向の両端部には、Ｙ軸方向の外側に延びる一対の第１揺動軸２４ｂが突設されている。この一対の第１揺動軸２４ｂはミラーホルダ２４ａに揺動可能に支持され、一方の第１揺動軸２４ｂはミラーホルダ２４ａに固定された第１揺動アクチュエータ２４ｄに連結されている。また、ミラーホルダ２４ａにおけるＹ軸方向に直交する直交方向の両端部には、該直交方向の外側に突出する一対の第２揺動軸２４ｃが突設されている。一対の第２揺動軸２４ｃは、不図示の支持部材に揺動可能に支持され、一方の第２揺動軸２４ｃは第２揺動アクチュエータ２４ｅに連結されている。第１揺動アクチュエータ２４ｄ及び第２揺動アクチュエータ２４ｅは、例えば小型のステッピングモータにより構成されている。各揺動アクチュエータ２４ｄ，２４ｅ（駆動アクチュエータに相当）を制御することで、第１揺動軸２４ｂ及び第２揺動軸２４ｃ回りの反射ミラー２３の揺動角度を調整可能になっている。各揺動アクチュエータ２４ｄ，２４ｅの駆動制御は、後述する制御部３２によって実行される。
　照射ハウジング２５は、図１に示すように、上下方向において相互に嵌合状態で連結される第１ハウジング２５ｂ、第２ハウジング２５ｃ、第３ハウジング２５ｄ及び光出射ガイド２５ｅなどから構成される。照射ハウジング２５は、その中心部に上下に貫通した空間である光学路２５ａを備えており、その上端部に形成された開口である導入口（図示せず）に反射ミラー２３からの反射光が導入されるようになっている。光学路２５ａの導入口の直下には集光レンズ２６が配置されている。集光レンズ２６は、円筒状の押さえ部材２７を介して第２ハウジング２５ｃの段差面と第１ハウジング２５ｂの下面との間に挟まれて保持されている。集光レンズ２６としては、例えばｆθレンズなどが用いられる。
　以上のように構成された加工ヘッド２によれば、前記レーザ発振器２１から出力されたレーザ光はコリメータレンズ２２を通過して平行光に変換された後、反射ミラー２３より反射されて照射ハウジング２５の導入口（図示せず）から光学路２５ａ内に入射し、入射したレーザ光は前記集光レンズ２６によって集光され、光出射ガイド２５ｅの下端に形成された開口２５ｆから照射される。尚、集光レンズ２６は前記開口２５ｆ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を集光する。
　前記粉末材料供給部１０は、前記光出射ガイド２５ｅの開口２５ｆの周囲に配設された供給ノズル１１を有し、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）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。前記レーザ光はこの粉末材料の収束箇所よりもヘッド移動方向の後側に照射される。キャリアガスとともに積層予定面に供給された金属粉末は、レーザ光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）。尚、本例では、レーザ光により加熱、溶融される金属の酸化及び飛散を防止するべく、図示しない供給ガス部より光出射ガイド２５ｅの光路内にシールドガス（例えばアルゴン等の不活性ガス）を供給して開口２５ｆから吐出させるようにしている。
　前記制御装置３０は、加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部３１と、この加工プログラム記憶部３１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、及び、レーザ照射部２０（具体的には、レーザ発振器２１、ミラー揺動機構部２４の各揺動アクチュエータ２４ｄ，２４ｅ）を制御する制御部３２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３２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、及びレーザ照射部２０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。
　具体的には、制御部３２は、レーザ積層造形制御の実行に際して粉末供給処理とレーザ照射処理とを並行して実行する。
　粉末供給処理では、制御部３２による制御の下、粉末材料供給部１０の供給ノズル１１から積層予定面Ｓに向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理を、移動機構部３により加工ヘッド２を所定の向きに移動させつつ（換言すると供給ノズル１１を所定の向きに移動させつつ）連続的に実行する。
　レーザ照射処理では、制御部３２による制御の下、粉末材料の収束領域ｒ１よりも加工ヘッド２の移動方向（以下、ヘッド移動方向という）の後側にレーザ光が照射されるようにレーザ発振器２１及びミラー揺動機構部２４を制御する。ここで、照射ハウジング２５と供給ノズル１１とは１つの加工ヘッド２に搭載されて一体で移動するので、レーザ光の照射領域ｒ２は、粉末材料の収束領域ｒ１の移動に追従して同方向に移動する。
　制御部３２は、レーザ照射処理の実行に際し、ミラー揺動機構部２４（第１揺動アクチュエータ２４ｄ及び第２揺動アクチュエータ２４ｅ）を介して反射ミラー２３の揺動角度を制御することで、積層予定面Ｓにおける粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側にレーザ光を照射する。本例では、制御部３２は、収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１を通り且つヘッド移動方向に延びる直線上にレーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が位置するようにミラー揺動機構部２４を制御する。収束領域ｒ１と照射領域ｒ２との離間距離ｄは、例えばレーザ光の照射領域ｒ２の直径の１～１．５倍に設定されるが、これに限ったものではない。
　図２～図４を参照して、制御部３２により実行されるレーザ照射処理の具体例を説明する。図２は、加工ヘッド２をＸ軸方向の一方側から他方側（図１の右側から左側）に移動させる場合のＡ部拡大図であり、図３は、図２における粉末材料の収束領域ｒ１とレーザ光の照射領域ｒ２との位置関係を示す平面図である。図４及び図５は、これとは逆に、加工ヘッド２をＸ軸方向の他方側から一方側（図１の左側から右側）に移動させる場合の図２及び図３相当図である。
　図２に示すように、加工ヘッド２をＸ軸方向の一方側から他方側に移動させる場合には、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１に一致する基準状態（図２の細二点鎖線の状態）に対して、反射ミラー２３をミラー揺動機構部２４の第１揺動アクチュエータ２４ｄによって、第１揺動軸２４ｂを支点に反時計回り方向に回転させる。これにより、図３に示すように、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が、粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１よりもヘッド移動方向の後側（Ｘ軸方向の一方側）に所定距離ｄだけオフセットされる。
　これとは逆に、図４に示すように、加工ヘッド２をＸ軸方向の他方側から一方側に移動させる場合には、前記基準状態（図４の細二点鎖線の状態）に対して、反射ミラー２３をミラー揺動機構部２４の第１揺動アクチュエータ２４ｄによって、第１揺動軸２４ｂを支点に時計回り方向に回転させる。これにより、図５に示すように、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が、粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１よりもヘッド移動方向の後側（Ｘ軸方向の他方側）に所定距離ｄだけオフセットされる。
　ここで、図２～図４では、加工ヘッド２の移動方向がＸ軸方向である例を説明したが、加工ヘッド２の移動方向がＹ軸方向である場合にも同様に、レーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側に位置するように制御部３２によるレーザ照射処理が実行される。この場合、制御部３２は、反射ミラー２３を、ミラー揺動機構部２４の第２揺動アクチュエータ２４ｅにより第２揺動軸２３ｃ回りに揺動させることでレーザ光のＹ軸方向の照射位置を制御する。
　以上のように構成されたレーザ積層造形装置１によれば、前記加工プログラム記憶部３１に格納された加工プログラムに基づいて制御部３２によりレーザ積層造形制御が実行される。このレーザ積層造形制御では、制御部３２による制御の下、レーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向（供給ノズル移動方向と同方向）の後側に位置するようにミラー揺動機構部２４を介してレーザ光の照射位置を制御する。
　これによれば、積層予定面Ｓに粉末材料が供給された後にレーザ光のエネルギによって該粉末材料を溶融させることができる。したがって、レーザ光を照射した箇所に後から粉末材料を供給する場合（つまりレーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の前側に位置する場合）に比べて、レーザ光のエネルギを効率良く粉末材料の加熱に利用することができる。よって、粉末材料の溶融効率を可及的に向上させることができる。また、加工ヘッド２の移動方向に拘わらず（換言すると供給ノズル１１の移動方向に拘わらず）、粉末材料の収束領域ｒ１とレーザ光の照射領域ｒ２との相対的な位置関係を一定に維持することができるので、加工ヘッド２の移動方向によって粉末材料の溶融効率がばらつくのを防止することができる。
　また、本例では、制御部３２による制御の下、ミラー揺動機構部２４により反射ミラー２３の各揺動軸２４ｂ，２４ｃ回りの揺動角度を制御してレーザ光の反射方向を調整することで、粉末材料の収束領域ｒ１に対するレーザ光の照射位置を制御するようにしている。
　これにより、反射ミラー２３を揺動させるという簡単な方法によりレーザ光の照射位置を容易に変更することができる。
　［実施形態２］
　図６は実施形態２の一例を示している。この実施形態は、供給ノズル１１から噴射される粉末材料が受ける重力の影響を考慮してレーザ光の照射位置を制御する点で実施形態１とは異なる。尚、図６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、本例のレーザ積層造形装置１では、制御部３２は、レーザ積層造形制御を実行する際に、加工ヘッド２のＹ軸回りの揺動角（チルト角）を基に、供給ノズル１１の軸線の鉛直方向に対する傾斜角を算出する。そして、制御部３２は、算出した傾斜角を基に、供給ノズル１１から噴射される粉末材料の収束領域ｒ１が、重力の影響により目標収束領域（供給ノズル１１の軸線の延長位置）よりも下側にずれるずれ量δを予測し、予測したずれ量δを基に、粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側にレーザ光の照射領域ｒ２が位置するようにミラー揺動機構部２４を制御する。前記ずれ量δの算出式は、例えば、前記供給ノズル１１の先端から積層予定面Ｓまでの距離と、供給ノズル１１の軸線の傾斜角とを基に算出することができる。このずれ量δの算出式は、理論式であってもよいし、予め実験等にも基づいて算出した近似式であってもよい。
　図６を基に、制御部３２により実行されるレーザ光照射処理の一例を説明する。図６では、図１の状態（照射ハウジング２５の軸線が鉛直になる状態）を基準として、加工ヘッド２を移動機構部３によりＹ軸回りに回動させてチルト角９０°に設定した状態を示している。このように加工ヘッド２のチルト角を９０°に設定することで鉛直な積層予定面Ｓに対してもレーザ積層造形を行うことができる。
　図６は、一例として鉛直な積層予定面Ｓに対して加工ヘッド２をＺ軸方向に沿って下側から上側に移動させた場合を示している。図中の細二点鎖線は、重力の影響を考慮しない場合のレーザ光の照射状態を示している。この図から分かるように、重力の影響を考慮しない場合、レーザ光の照射領域が、粉末材料の収束領域ｒ１よりも上側、つまりヘッド移動方向の前側に位置してしまい、レーザ光を粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側に位置させるという制御目標を達成することができない。これに対して、本例では、制御部３２による制御の下、レーザ光の照射領域ｒ２を、図中の太二点鎖線で示すように、粉末材料の収束領域ｒ１のずれ量δと同じ量だけ下側に補正するようにしている。これにより、加工ヘッド２のチルト角に拘わらず、レーザ光の照射領域ｒ２を粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向の後側に位置させることができる。換言すると、本例のレーザ積層造形装置１では、加工ヘッド２のチルト角が変化する等して、供給ノズル１１の軸線の延長位置（目標収束位置）に対する粉末材料の収束領域ｒ１の位置が変化したとしても、レーザ光の照射位置を粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向（供給ノズル移動方向と同方向）の後側に位置させることができる。したがって、実施形態１と同様の作用効果をより一層確実に得ることができる。
　尚、鉛直方向に対する供給ノズル１１の傾斜角度が所定角度（例えば４５°）以下の場合には、上述した重力の影響は無視し得るので、前記ずれ量δに基づく補正制御を実行しないようにしもよい。これにより、制御部３２における演算負担を低減することができる。
　［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。
　前記各実施形態及び変形例では、制御部３２は、レーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１よりもヘッド移動方向（供給ノズル移動方向）の後側に位置するようにレーザ照射処理を実行するように構成されているが、これに限ったものではなく、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２が粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１に一致するようにレーザ照射処理を実行するように構成されていてもよい。このように、粉末材料の収束領域ｒ１の中心位置Ｃ１とレーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２とを一致させることで粉末材料を偏りなく確実に溶融させることができる。
　前記実施形態２では、供給ノズル１１から噴射される粉末材料に作用する重力の影響を考慮して、収束領域ｒ１に対するレーザ光の照射位置を補正するようにしているが、この補正に加えて、粉末材料の収束領域ｒ１のずれ量δを補正するべく、移動機構部３により加工ヘッド２の位置（延いては供給ノズル１１の位置）を補正するようにしてもよい。具体例を説明すると、例えば図７に示すように、加工ヘッド２をＹ軸方向に沿って移動させる場合に、移動機構部３により加工ヘッド２を上側に距離δだけ移動させることで、供給ノズル１１が加工ヘッド２と共に上側に距離δだけ移動して、粉末材料の収束領域ｒ１を当初の目標収束位置に制御することができる。これにより、レーザ積層造形により生成される造形物の形状精度を向上させることができる。この供給ノズル１１の位置調整（加工ヘッド２の位置調整）は、供給ノズル１１による粉末材料の供給を開始する前に行うことが好ましい。尚、図７に示すように加工ヘッド２をＹ軸方向に移動させる場合、制御部３２によってレーザ光の照射領域ｒ２が粉末材料の収束領域ｒ１と同じ高さに制御される（図中の太二点鎖線参照）。
　また、前記実施形態では、粉末材料の収束領域ｒ１が円形状として説明したが、供給ノズル１１の傾斜を考慮してＸ軸方向に長い楕円形状としてレーザ積層造形制御を実行してもよい。この場合のレーザ照射処理では、例えば、収束領域ｒ１の楕円中心位置と、レーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２との距離を一定に維持するか、又は、粉末材料の収束領域ｒ１におけるヘッド移動方向の後側の端縁からレーザ光の照射領域ｒ２の中心位置Ｃ２までの距離を一定に維持するなどすればよい。
　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、前記各実施形態では、供給ノズル１１は、光出射ガイド２５ｅの側方に１つだけ配置されているが、これに限ったものではなく、例えば複数の供給ノズル１１を光出射ガイド２５ｅの開口２５ｆを囲むように周方向に等間隔に配置してもよい。この他にも、例えば、開口２５ｆを囲む環状の吐出口を有する環状供給ノズルを採用してもよい。
　前記各実施形態では、ミラー揺動機構部２４を構成する第１揺動アクチュエータ２４ｄ及び第２揺動アクチュエータ２４ｅによって反射ミラー２３を直交二軸回りに揺動させるようにしているが、これに限ったものでない。すなわち、反射ミラー２３を揺動させるアクチュエータは揺動式のアクチュエータに限らず、例えば、伸縮可能な圧電素子により反射ミラー２３の厚さ方向の一方側面を押し引きすることで反射ミラー２３の揺動動作を実現するようにしてもよい。
　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。
１　　　レーザ積層造形装置
２　　　加工ヘッド
３　　　移動機構部
１０　　粉末材料供給部
１１　　供給ノズル
２０　　レーザ照射部（光照射部）
２１　　レーザ発振器（光源）
２３　　反射ミラー
２４　　ミラー揺動機構部（レーザ可変機構部）
２４ｄ　第１揺動アクチュエータ（駆動アクチュエータ）
２４ｅ　第２揺動アクチュエータ（駆動アクチュエータ）
３２　　制御部
Ｃ１　　中心位置
Ｃ２　　中心位置
Ｓ　　　積層予定面
Ｗ　　　ワーク（被積層体）
ｒ１　　粉末材料の収束領域
ｒ２　　レーザ光の照射領域
δ　　　ずれ量

Claims (9)

  1. 　供給ノズルから被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる処理を、前記供給ノズルを前記積層予定面に沿って所定の向きに相対移動させつつ連続的に実行する粉末材料供給工程と、該粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射するとともに、前記粉末材料の収束領域が供給ノズルと共に前記所定の向きに相対移動するのに伴ってレーザ光を該所定の向きに移動させるレーザ照射工程とを備え、該レーザ光によって粉末材料を溶融固化して前記積層予定面に硬化層を形成するレーザ積層造形方法であって、
    　前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を変更可能にしておき、
    　前記レーザ照射工程では、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御し、
    　前記粉末材料供給工程の実行前に前記供給ノズルの位置調整を行う位置調整工程をさらに備え、
    　前記位置調整工程では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により、目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように前記供給ノズルの位置を制御することを特徴とするレーザ積層造形方法。
  2. 　前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルを移動させる向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ積層造形方法。
  3. 　前記レーザ照射工程では、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御す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方法。
  4. 　前記レーザ照射工程では、光源からレーザ光を出射し、出射したレーザ光を、揺動軸線回りに揺動可能な反射ミラーに反射させることで前記積層予定面に照射し、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ積層造形方法。
  5. 　被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる供給ノズルを含む粉末材料供給部、及び粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射する光照射部を搭載した加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被積層体の積層予定面に沿って所定の向きに移動させる移動機構部とを備えたレーザ積層造形装置であって、
    　前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を変更可能なレーザ可変機構部と、
    　前記レーザ可変機構部を制御する制御部とを備え、
    　前記制御部は、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するように構成され、
    　前記制御部はさらに、前記粉末材料供給部による粉末材料の供給を開始する前に、前記供給ノズルの位置調整制御を実行するように構成されており、
    　前記位置調整制御では、前記積層予定面において前記粉末材料の収束領域が、重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測して、このずれ量を補正するように、前記移動機構部により前記加工ヘッドの位置を制御することを特徴とするレーザ積層造形装置。
  6. 　前記制御部は、前記供給ノズルが移動する向きの変化に拘わらず、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項５記載のレーザ積層造形装置。
  7. 　前記制御部は、前記供給ノズルの軸線に対する前記粉末材料の収束領域の位置関係の変化に拘わらずに、レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御することを特徴とする請求項５又は６記載のレーザ積層造形装置。
  8. 　レーザ光を出射する光源をさらに備え、
    　前記光照射部は、前記光源から出射させたレーザ光を反射して前記被積層体の積層予定面に照射する反射ミラーを有し、
    　前記レーザ可変機構部は、前記反射ミラーを揺動軸線回りに駆動する駆動アクチュエータを有し、
    　前記制御部は、前記レーザ可変機構部の前記駆動アクチュエータによって、前記反射ミラーの前記揺動軸線回りの揺動角度を変更してレーザ光の反射方向を調整することで、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射領域を制御するように構成されていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のレーザ積層造形装置。
  9. 　被積層体の積層予定面に向けて粉末材料を供給して一箇所に収束させる供給ノズルを含む粉末材料供給部、及び粉末材料の収束領域に対する所定位置にレーザ光を照射する光照射部を搭載した加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被積層体の積層予定面に沿って所定の向きに移動させるとともに、当該加工ヘッドを水平方向に延びる所定軸線回りに揺動駆動可能な移動機構部とを備えたレーザ積層造形装置であって、
    　前記粉末材料の収束領域に対する前記レーザ光の照射位置を変更可能なレーザ可変機構部と、
    　前記レーザ可変機構部を制御する制御部とを備え、
    　前記制御部は、前記加工ヘッドの前記所定軸線回りの揺動角度を基に、前記供給ノズルの軸線の鉛直方向に対する傾斜角を算出して、算出した傾斜角を基に、前記供給ノズルから噴射される粉末材料の前記積層予定面における収束領域が、重力の影響により目標収束領域よりも下側にずれるずれ量を予測し、予測したずれ量を基に、前記レーザ光の照射領域が前記粉末材料の収束領域よりも前記供給ノズルの相対移動方向の後側に位置するように又はレーザ光の照射領域の中心位置が前記粉末材料の収束領域の中心位置に一致するように、前記レーザ可変機構部によって、前記粉末材料の収束領域に対するレーザ光の照射位置を制御するように構成されていることを特徴とするレーザ積層造形装置。
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