特許 6092467 加工ノズル、加工ヘッド、加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6092467

(24)【登録日】2017年2月17日

(45)【発行日】2017年3月8日

(54)【発明の名称】加工ノズル、加工ヘッド、加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/144 20140101AFI20170227BHJP

   B23K 15/00 20060101ALI20170227BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20170227BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20170227BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20170227BHJP

   B29C 67/00 20170101ALI20170227BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/144

   B23K15/00 501B

   B22F3/105

   B22F3/16

   B33Y30/00

   B29C67/00

【請求項の数】6

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-510887(P2016-510887)

(86)(22)【出願日】2015年3月24日

(86)【国際出願番号】JP2015059003

(87)【国際公開番号】WO2016151781

(87)【国際公開日】20160929

【審査請求日】2016年2月29日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度 経済産業省「産業技術研究開発（三次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム（次世代型産業用３Ｄプリンタ技術開発及び超精密三次元造形システム技術開発））」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514227988

【氏名又は名称】技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100134430

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 卓士

(74)【代理人】

【識別番号】100198960

【弁理士】

【氏名又は名称】奥住 忍

(72)【発明者】

【氏名】藤谷 泰之

(72)【発明者】

【氏名】小松 由尚

(72)【発明者】

【氏名】成田 竜一

【審査官】 竹下 和志

(56)【参考文献】

【文献】 欧州特許出願公開第２５０２７２９（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５０５８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２２８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２５７７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２９Ｃ ６７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光によって加工面上に形成された溶融プールに対して粉体材料を射出するための加工ノズルであって、
前記レーザ光が通過する光経路を構成する内側筐体と、
前記内側筐体と粉体材料の第１供給路としての間隙を介して配置された外側筐体と、
を備え、
前記外側筐体内部に、粉体の第２供給路と、前記第２供給路と異なる径を有する第３供給路とを備えたことを特徴とする加工ノズル。

【請求項2】

前記外側筐体は、円筒形状であって、
前記第２供給路と前記第３供給路とは、それぞれ少なくとも２つ備え、前記外側筐体内部において、周状に、交互に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の加工ノズル。

【請求項3】

前記外側筐体と前記加工面との間に、前記第１、第２粉体供給路から吐出された粉体材料の射出方向を変更するフラッパをさらに設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の加工ノズル。

【請求項4】

前記外側筐体を回転する回転手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の加工ノズル。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工ノズルと、
前記レーザ光を集束させる集束装置と、
を含むことを特徴とする加工ヘッド。

【請求項6】

請求項５に記載の加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに前記粉体材料を供給する材料供給部と、
を備えたことを特徴とする加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加工ノズル、加工ヘッド、加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、複数種のパウダを分配率を変えつつ供給する技術が開示されている。例えば表１には、１層目から５層目までで、パウダの混合比率を徐々に変化させる技術が開示されている。段落００５８には、内ノズル３１が上下移動することで、内ノズル３１と外ノズル３２との先端の隙間から吐出するパウダ流４の集中位置が変化することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１２５７７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記文献に記載の技術では、図５の構成も図７の構成も、粉体は１つの供給路４１のみから射出される。つまり、一度に供給できる粉体は１種類のみである。そのため、複数種類の粉体を加工面に供給しようとすると、事前に混合してから供給しなければならず、供給中に偏析が起こり、思った組成が実現できないという問題があった。

【0005】

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工ノズルは、
レーザ光によって加工面上に形成された溶融プールに対して粉体材料を射出するための加工ノズルであって、
前記レーザ光が通過する光経路を構成する内側筐体と、
前記内側筐体と粉体材料の第１供給路としての間隙を介して配置された外側筐体と、
を備え、
前記外側筐体内部に、粉体の第２供給路と、前記第２供給路と異なる径を有する第３供給路とを備えた。

【0007】

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工ヘッドは、
上述の加工ノズルと、前記レーザ光を集束させる集束装置と、を含むことを特徴とする。

【0008】

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工装置は、
上述の加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに前記粉体材料を供給する材料供給部と、
を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、複数種類の粉体を同時に射出する加工ノズルを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態に係る加工ノズルの構成を示す斜視図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面の端面図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る加工ノズルの構成を示す縦断面図である。

【図4】本発明の第１実施形態に係る加工装置の構成を示す概略図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る加工ノズルの構成を示す縦断面図である。

【図6】本発明の第３実施形態に係る加工ノズルの構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

【0012】

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての加工ノズル１００について、図１乃至図４を用いて説明する。加工ノズル１００は、レーザ光１１０によって加工面１５０上に形成された溶融プール１５１に対して粉体材料１３０を射出するためのノズルである。

【0013】

加工ノズル１００は、レーザ光１１０が通過する光経路１１１を構成する内側筐体１０１と、内側筐体１０１と粉体材料１３０の供給路１０３としての間隙を介して配置された外側筐体１０２と、を備えている。

【0014】

外側筐体１０２内部には、さらに粉体の供給路１２１、１２２を備えている。粉体供給路１２１、１２２は、それぞれ異なる径を有する。ここでは供給路１２１及び供給路１２２は、それぞれ３つ設けられている。外側筐体１０２は、円筒形状であって、供給路１２１と供給路１２２とは、外側筐体１０２内部において、周状に、交互に設けられている。

【0015】

図２は、加工ノズル１００の下流端を示す端面図である。図２に示すとおり、加工ノズル１００の下流端には、光経路１１１の開口部２０１と、供給路１０３の開口部２０３と、供給路１２１の開口部２２１と、供給路１２２の開口部２２２とが設けられている。

【0016】

図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３に示すとおり、リング状の供給路１０３から供給される粉体材料１３１は、リング状に非常に細い流れを形成し、狭い範囲に集束する。一方、円周上に配置された６か所の供給路１２１、１２２からは、供給路１０３よりも多くの粉体材料が、加工面１５０に供給される。また、供給路１２１は、供給路１２２よりも径大に形成されており、供給路１２１からは供給路１２２よりも多くの粉体材料が、加工面１５０に供給される。

【0017】

造形精度及び造形速度に応じて、これらの供給路のうち、使用するものを変えて粉末材料を供給する。例えば、高精細の造形を行なう場合には、供給路１０３のみを用いて、周囲から一点に向けて的確な粉末材料の供給を行なう。

【0018】

一方、造形精度を維持しつつ高速造形を行なう場合には、供給路１２１を用いて、やや多量の粉体材料を加工面１５０に供給する。さらに、超高速造形を行なう場合には、供給路１２１及び供給路１２２の両方を用いて、より多量の粉体材料を加工面１５０に供給する。またさらに、超超高速造形を行なう場合には、全ての供給路１０３、１２１、１２２を用いて、粉体材料を加工面１５０に供給する。

【0019】

このように供給路を様々に組み合わせることにより、供給路１０３のみ、供給路１２１のみ、供給路１２２のみ、供給路１０３、１２１、供給路１０３、１２２、供給路１２１、１２２、供給路１０３、１２１、１２２という、７段階の粉体材料供給を行なうことができる。

【0020】

また、例えば、ＴｉＡｌ合金を積層する場合、ＴｉとＡｌとを別々の供給路に供給することで、材料の違いによる輸送効率の影響を無視することができ、設計値に準じた重量比率でＴｉＡｌ合金を積層することが可能となる。

【0021】

複数の異なる材料を積層する場合にも、材料毎に別々の供給路を用いることで、異なる材料を積層することが可能となる。複数の異なる材料を積層するとは、例えば、銅（基材）上に密着層を積層し、次に鉄を積層することなどをいう。また、材料は同じだが粒径の異なる粉体を、別々の供給路を用いて供給することにより、造形条件に応じた精度や速度で造形加工を行なうことができる。

【0022】

加工ノズル１００を備えた光加工装置４００について、図４を用いて説明する。光加工装置４００は、集光した光が生み出す熱で材料を溶融することにより三次元的な造形物（あるいは肉盛溶接）を生成する装置である。光加工装置４００は、光源４１２、ステージ４０５、材料収容装置４２１〜４２３、材料供給部４２４〜４２６、加工ヘッド４０８および制御部４１３を備えている。

【0023】

光源４１２としては、ここではレーザ光源を用いることとするが、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。また、例えば電子ビームなどを用いてもよい。

【0024】

ステージ４０５は、Ｘステージ、あるいはＸＹステージ、あるいはＸＹＺステージである。材料収容装置４２１〜４２３は、加工ノズル１００に対し、材料供給部４２４〜４２６を介して材料を含むキャリアガスを供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子などの粒子である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。

【0025】

加工ヘッド４０８は、内部に設けられたレンズ等からなる光学系によって光源４１２からのレーザ光を集束させ、その下流端には加工ノズル１００が取り付けられている。

【0026】

コントローラ４１３は、細書き／太書きや造形物の形状などの造形条件を入力し、入力した造形条件に応じて光源４１２からのレーザ光の出力値、加工ヘッド４０８の位置および向き、ステージ４０５の位置などを変更すると共に、加工ノズル１００を制御し、粉体スポット形状を変化させる。また、コントローラ４１３は、材料供給部４２４〜４２６を制御して、ノズル１００から射出する材料の種類及び量を制御する。

【0027】

以上の構成によれば、複数種類の粉体を同時に射出する加工ノズルを提供できる。

【0028】

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る加工ノズル５００について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る加工ノズル５００の構成を説明するための断面図である。本実施形態に係る加工ノズル５００は、上記第１実施形態と比べると、フラッパ５０１、５０２を有する点で異なる。その他の構成及び動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成及び動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

【0029】

フラッパ５０１、５０２により、供給路１２１、１２２から吐出された粉体材料の流れを変えることができる。すなわち、供給路１２１から吐出された粉体材料を、粉体スポット５１１に供給することができ、供給路１２２から吐出された粉体材料を、粉体スポット５１２に供給することができる。

【0030】

レーザ光１１０は、一般的にレンズの構成により、加工面１５０が最も高温になるように構成されているため、粉体スポット５１１、５１２は、それぞれ、加工面１５０の溶融プール１５１よりも低温になっている。各粉体材料の溶融温度に合った粉体スポット５１１、５１２へ、それぞれの粉体材料を供給するように、フラッパ５０１、５０２を制御する。

【0031】

これにより、粉体材料を良い環境で供給することが可能となり、精度の良い造形を実現することができる。例えば異なる素材で複層造形を行なう場合にも、供給路１０３、１２１、１２２を使い分け、さらにフラッパ５０１、５０２の角度を調整することにより、各種の素材をその素材にあった環境で積層加工することができる。例えば、融点の低い粉体を加工面１５０のより上方に供給し、融点の高い粉体を、より加工面１５０の近くに供給することで、各粉体の溶融位置を変え、粉体の混合精度を向上させることができる。

【0032】

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る加工ノズル６００について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る加工ノズル６００の構成を説明するための斜視図である。本実施形態に係る加工ノズル６００は、上記第１実施形態と比べると、内側筐体１０１に対して外側筐体１０２を回転方向６０１に回動させる回動部６０２を有する点で異なる。その他の構成及び動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成及び動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

【0033】

本実施形態によれば、加工面１５０上を溶融プール１５１が進む方向（走査方向）６５１に合わせて、外側筐体１０２を回動することができる。つまり、外側筐体１０２に設けられた供給路１２１、１２２の溶融プール１５１に対する配置を、走査方向６５１に応じて変えることができる。例えば、溶融プール１５１の走査方向６５１前方に多くの粉体材料を供給したい場合、図６の状態から、１８０度、外側筐体１０２を回転させればよい。つまり、３つの供給路１２１の内、２つを、溶融プール１５１の前方に配置すれば、前方への粉体材料の供給量が後方に比べて多くなる。また例えば、供給路１２２を用いて供給する粉体材料を溶融プール１５１の走査方向６５１後方に多く供給したい場合にもやはり、図６の状態から、１８０度、外側筐体１０２を回転させればよい。

【0034】

以上、本実施形態によれば、造形条件に応じて、より細かく粉体供給を制御することが可能になり、粉体の効率的な利用及び造形精度の向上を図ることができる。

【0035】

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】