特許 6234551 加工ノズル、加工ヘッド、加工装置、その制御方法および制御プログラム

(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】6234551

(24)【登録日】2017年11月2日

(45)【発行日】2017年11月22日

(54)【発明の名称】加工ノズル、加工ヘッド、加工装置、その制御方法および制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/34 20140101AFI20171113BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20171113BHJP

   B23K 15/00 20060101ALI20171113BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/34

   B23K26/21 Z

   B23K15/00 501B

   B23K15/00 501D

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-510537(P2016-510537)

(86)(22)【出願日】2015年3月4日

(86)【国際出願番号】JP2015056349

(87)【国際公開番号】WO2016139775

(87)【国際公開日】20160909

【審査請求日】2016年2月26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

【前置審査】

(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

(72)【発明者】

【氏名】笹木 裕司

(72)【発明者】

【氏名】大野 博司

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 光夫

(72)【発明者】

【氏名】小原 隆

(72)【発明者】

【氏名】益川 和之

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０８８１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５０５８１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／３４

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エネルギー線によって加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なう加工ノズルであって、
前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、
前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、
前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線に沿って変化させるスライド機構と、
を備え、
前記スライド機構は、
外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、加工面から外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御することを特徴とする加工ノズル。
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２

【請求項2】

前記スライド機構は、加工面からの熱腹斜によるノズルへのダメージを低減させるために、溶融プール径Ｄに対して、Ｄ×ｔａｎθだけノズル全体を上方にずらす請求項１に記載の加工ノズル。

【請求項3】

請求項１または２に記載の加工ノズルと、
前記エネルギー線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4】

請求項３に記載の加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに前記加工材料を供給する材料供給部と、
前記スライド機構を制御し、前記加工材料のスポット径を制御する制御部と、
を備えた加工装置。

【請求項5】

エネルギー線によって加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なうため、
前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、
前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、
前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線に沿って変化させるスライド機構と、
前記エネルギー線を集束させる集束装置と、
を備えた加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに前記加工材料を供給する材料供給部と、
を備え、
前記スライド機構は、
前記外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、前記外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、加工面から外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御することを特徴とする加工装置。
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２

【請求項6】

エネルギー線によって加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なうため、
前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、
前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、
を備えた加工ノズルを用いる加工方法であって、
前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線に沿って変化させることにより、前記内側筐体の外面と前記外側筐体の内面との間隙により形成された前記加工材料の射出口の大きさを変化させ、
前記外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、前記外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、前記加工面から前記外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御することを特徴とする加工方法。
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２

【請求項7】

エネルギー線を射出させることにより加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なうため、前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、を備えた加工ノズルの制御プログラムであって、
造形条件を入力する入力ステップと、
前記造形条件に応じて、前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線の射出方向に沿って変化させることにより、前記内側筐体の外面と前記外側筐体の内面との間隙により形成された前記加工材料の射出口の大きさを変化させるステップと、
前記外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、前記外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、前記加工面から前記外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御するステップと、
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２
をコンピュータに実行させることを特徴とする加工ノズルの制御プログラム。

【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、その制御方法および制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、レーザ照射装置のノズルであって、加工点に材料を供給するため、レーザ光の光路の周囲に形成された隙間から材料を射出する装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許５４１８３５０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、上記文献に記載の技術では、ノズルから射出した加工材料のスポット位置が固定されているため、例えば細書きから太書きに造形条件を変更しようとした場合、レーザ光の集光領域と加工材料のスポット領域が適切な関係にならない。供給した材料を効率よく造形に利用するには、細書き用、太書き用のノズルを用意しておき、条件切換え時にノズル本体を交換する必要があった。

【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係る加工ノズルは、
エネルギー線によって加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なう加工ノズルであって、
前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、
前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、
前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線に沿って変化させるスライド機構と、
を備え、
前記スライド機構は、
外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、加工面から外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御することを特徴とする加工ノズル。
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る加工ヘッドは、
上記加工ノズルと、
前記エネルギー線を集束させる集束装置と、
を含む。
上記目的を達成するため、本発明に係る加工装置は、
エネルギー線によって加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なうため、
前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、
前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、
前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線に沿って変化させるスライド機構と、
前記エネルギー線を集束させる集束装置と、
を備えた加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに前記加工材料を供給する材料供給部と、
を備え、
前記スライド機構は、
前記外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、前記外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、加工面から外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御することを特徴とする。
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２

【0008】

上記目的を達成するため本発明に係る加工方法は、
エネルギー線によって加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なうため、
前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、
前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、
を備えた加工ノズルを用いる加工方法であって、
前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線に沿って変化させることにより、前記内側筐体の外面と前記外側筐体の内面との間隙により形成された前記加工材料の射出口の大きさを変化させ、
前記外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、前記外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、前記加工面から前記外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御することを特徴とする。
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２

【0009】

上記目的を達成するため本発明に係る加工ノズルの制御プログラムは、
エネルギー線を射出させることにより加工面上に形成した溶融プールに向けて加工材料を射出させて加工を行なうため、前記エネルギー線が通過する経路を内部に備え、一端から前記エネルギー線を射出する筒状の内側筐体と、前記内側筐体を内包し、前記内側筐体から射出される前記エネルギー線の射出方向に内面が絞られた筒状の外側筐体と、を備えた加工ノズルの制御プログラムであって、
造形条件を入力する入力ステップと、
前記造形条件に応じて、前記内側筐体に対する前記外側筐体の相対位置を、前記エネルギー線の射出方向に沿って変化させることにより、前記内側筐体の外面と前記外側筐体の内面との間隙により形成された前記加工材料の射出口の大きさを変化させるステップと、
前記外側筐体の射出口側端部の内径をｄ、前記外側筐体の内面の傾斜角をθ、溶融プール径をＤ、溶融プール径に対する前記加工材料のスポット径の比の値をαとすると、前記加工面から前記外側筐体までの距離ｈが、以下の式で表わされるように前記外側筐体を移動させ、前記加工材料の吹き出し角を変化させずに溶融プール径を制御するステップと、
ｈ＝｛（ｄ−αＤ）tanθ｝／２
をコンピュータに実行させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、造形条件を変更する場合にも、ノズルを交換する必要なく、材料の利用効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態にかかる加工ノズルの構成を示す概略断面図である。

【図2】本発明の第２実施形態にかかる加工ノズルの構成を示す概略断面図である。

【図3】本発明の第２実施形態にかかる加工ノズルの構成を示す概略断面図である。

【図4】本発明の第２実施形態にかかる加工ノズルの構成を示す概略断面図である。

【図5A】本発明の第２実施形態にかかる加工ノズルの作用を説明するための図である。

【図5B】本発明の第２実施形態にかかる加工ノズルの作用を説明するための図である。

【図6】本発明の第３実施形態にかかる加工ノズルの構成を示す概略断面図である。

【図7】本発明の第３実施形態にかかる加工ノズルの構成を示す概略断面図である。

【図8】本発明の第４実施形態にかかる加工ノズルの構成を示す概略断面図である。

【図9】本発明の第４実施形態にかかる加工ノズルの作用を説明するための図である。

【図10】本発明の第５実施形態にかかる加工装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

［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を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る加工ノズル１００の概略断面図である。加工ノズル１００は、エネルギー線１１０により加工面１２０上に形成した溶融プール１２１に向けて加工材料１３０を射出させて加工を行なうためのノズルである。加工ノズル１００は、内側筐体１０１と外側筐体１０２とスライド機構１０３とを備える。エネルギー線１１０の線源としては、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。材料の溶融に使うエネルギー線はレーザ光に限るものではなく、加工面で加工材料を溶融することができるものであればどのようなエネルギー線でもよい。例えば電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などのエネルギー線であってもよい。

【0014】

内側筐体１０１は、筒状であって、エネルギー線１１０が通過する経路を内部に備え、その一端からエネルギー線１１０を射出する。内側筐体１０１の外面は内側筐体１０１から射出されるエネルギー線１１０の射出方向に絞られている。ただし、必ずしも絞られている必要は無い。

【0015】

外側筐体１０２も筒状であって、内側筐体１０１を内包し、内側筐体１０１から射出されるエネルギー線１１０の射出方向に内面が絞られている。このような構造にすることで、加工材料１３０を溶融プール１２１に向けて射出することができる。

【0016】

スライド機構１０３は、内側筐体１０１に対する外側筐体１０２の相対位置を、エネルギー線１１０に沿って変化させる。

【0017】

そして、内側筐体１０１の外面と外側筐体１０２の内面との間隙が加工材料１３０の射出口１０４を形成し、スライド機構１０３による相対位置の変化に応じて、射出口１０４の大きさが変化する。

【0018】

図１では、内側筐体１０１および外側筐体１０２の下流端が共に円錐筒形状として表わされているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、両方が多角錐筒形状であってもよい。また、内側筐体１０１が円筒形状で、外側筐体１０２の下流端のみが円錐筒形状であってもよい。

【0019】

以上の構成によれば、造形条件を変更する場合にも、加工ノズルを交換する必要なく、加工幅に合わせて加工材料の射出領域を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。

【0020】

［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について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る加工ノズル２００の内部構成を説明するための概略断面図である。

【0021】

加工ノズル２００は、エネルギー線としてのレーザ光２１０により加工面２２０上に形成された溶融プール２６０に向けて加工材料としての粉体２３０を射出させるためのノズルである。加工ノズル２００は、内側筐体２０１と外側筐体２０２とスライド機構２０３とを備える。

【0022】

内側筐体２０１は、円筒形であって、レーザ光２１０が通過する経路を内部に備え、その一端からレーザ光２１０を射出する。外側筐体２０２も円筒形であって、内側筐体２０１を内包している。また、内側筐体２０１および外側筐体２０２は、それぞれレーザ光２１０の光軸に向けて絞られた構造となっている。

【0023】

さらに、加工ノズル２００は、内側筐体２０１の外面と外側筐体２０２の内面との間隙に対して粉体を含むキャリアガスを供給する粉体供給部２５０を備えている。内側筐体２０１の外面と外側筐体２０２の内面上端との間には、例えばＯリングなどのシール部材２２１が設けられ、キャリアガスの漏洩を防いでいる。

【0024】

内側筐体２０１の下流端の外面と外側筐体２０２の下流端の内面とは、コーン（円錐）形状であり、そのリング状の間隙が射出口２０４となる。

【0025】

外側筐体２０２は、レーザ光２１０の光軸方向に沿ってスライド可能に設けられている。スライド機構２０３は、内側筐体２０１に対する外側筐体２０２の相対位置を、レーザ光２１０の光軸に沿って変化させる。スライド機構２０３による外側筐体２０２の位置変化に応じて、射出口２０４の大きさが変化する。ここで、スライド機構２０３は、不図示のリニアモータやボールネジを介して外側筐体２０２を移動させるものとするが、本発明はこれに限定されるものではなく、ラック＆ピニオンなど、他の機構を用いてもよい。

【0026】

加工ノズル２００に供給された粉体は、外側筐体２０２の側面に接続された粉体供給部２５０から、内側筐体２０１と外側筐体２０２の隙間空間に供給される。供給された粉体材料は隙間空間内で拡散し、リング状の射出口２０４から加工面２２０に向かって射出される。ここで、内側筐体２０１に対して外側筐体２０２を光軸方向に沿ってスライドさせると、内側筐体２０１および外側筐体２０２の下端部の相対位置がずれ、射出口２０４の形状が変化することにより粉体の射出状態が変更される。

【0027】

つまり、細書きモードとするためには、内側筐体２０１に対して外側筐体２０２を上方向にスライドさせることでリング状の射出口２０４のスリット幅を狭めることができ、材料のスポット径を小さくすることができる。一方、内側筐体２０１に対して外側筐体２０２を下方向にスライドさせることでリング状の射出口２０４のスリット幅を広げることができ、スポット径を大きくして太書きモードとすることができる。

【0028】

図３は、図２におけるＡ−Ａ断面で切断した断面図である。図３に示すとおり、粉体供給部２５０は、外側筐体２０２に対して３個所から均等に粉体を供給するように配置されている。これにより、溶融プール２６０に対して、等方的に粉体が射出され、高精度加工を実現することができる。

【0029】

図４は、レーザ光２１０の光線を絞り、図２の外側筐体２０２を図中上方にスライドした状態を示す図である。図２から図４に外側筐体２０２をスライドさせることにより、加工面２２０と外側筐体２０２との下端面との距離はｈ₁からｈ₂へと増加すると共に、射出口２０４のスリット幅が狭まり、粉体スポット径が小さくなることが分かる。図５Ａにその変化の前後の状態を示す。太書きモードから細書きモードへと遷移し、溶融プール２６０の幅がＤ₁からＤ₂に変化した場合に、それに合わせて粉体スポット径を変化させるため、ノズル高さをｈ₁からｈ₂へと変化させる。以下、図５Ａ、図５Ｂを用いて、ノズル高さの算出方法について説明する。

【0030】

図５Ａに示すように、外側筐体２０２の射出口２０４側端部の内径をｄ、外側筐体２０２の内面の傾斜角をθとすると、溶融プール径Ｄ₁、Ｄ₂と同一の粉体スポット径を実現するモードでは、底辺ｄ、高さＨの三角形５０１を取り出した場合、図５Ｂのようにモデル化できる。これにより、加工面２２０と外側筐体２０２との距離ｈ₁、ｈ₂は、以下の式で表わされる。
ｈ₁＝Ｈ−（Ｄ₁／２）tanθ
＝（ｄ／２）tanθ−（Ｄ₁／２）tanθ
＝｛（ｄ−Ｄ₁）tanθ｝／２
ｈ₂＝｛（ｄ−Ｄ₂）tanθ｝／２

【0031】

一方、粉体の無駄をより抑えるため、粉体スポット径を溶融プール径Ｄ₁、Ｄ₂の９０％にするモードでは、
ｈ₁＝｛（ｄ−０．９Ｄ₁）tanθ｝／２
ｈ₂＝｛（ｄ−０．９Ｄ₂）tanθ｝／２
となる。

【0032】

また、逆に粉体を不足しないように大量に供給して加工速度を高めるため、粉体スポット径を溶融プール径Ｄ₁、Ｄ₂の１２０％にするモードでは、
ｈ₁＝｛（ｄ−１．２Ｄ₁）tanθ｝／２
ｈ₂＝｛（ｄ−１．２Ｄ₂）tanθ｝／２
となる。

【0033】

例えば、θ＝６０度、ｄ＝１０ｍｍ、ｈ₁＝５ｍｍとすると、ｈ₂＝６．８２５ｍｍにしたときに、粉体スポット径が半分になり、ｈ₁＝６ｍｍなら、ｈ₂＝７．３２５ｍｍにしたときに粉体スポット径が半分になる。また、例えば、θ＝６０度、ｄ＝１０ｍｍ、ｈ₁＝４ｍｍとすると、ｈ₃＝７．１ｍｍにしたときに、粉体スポット径が３分の１になる。

【0034】

以上の構成によれば、造形条件を変更する場合にも、加工ノズルを交換する必要なく、溶融プール径に合わせて加工材料の射出径および射出量を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。

【0035】

なお、内側筐体の外面および外側筐体の内面に設けられたネジ溝を螺合させることにより、内側筐体２０１と外側筐体２０２との相対位置を変化させる構成でもよい。例えば、外側筐体２０２を固定して内側筐体２０１を回転させることにより、外側筐体２０２に対して内側筐体２０１を、光軸に沿ってスライドさせてもよい。

【0036】

［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について、図６、図７を用いて説明する。図６、図７は、本実施形態に係る加工ノズル６００の内部構成を説明するための概略断面図である。本実施形態に係る加工ノズル６００は、上記第２実施形態と比べると、内側筐体２０１をスライドさせるためのスライド機構６０１を有する点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成およ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。

【0037】

図６においては、内側筐体２０１を下方にスライドさせている。これにより、射出口２０４を絞って、溶融プール２６０の径に合わせて粉体スポットを小さくすることができる。

【0038】

一方、図７では、内側筐体２０１を上方にスライドさせている。これにより、射出口２０４の開口面積が大きくなり、射出される粉体の量が多くなるため、溶融プール２６０の径に合わせて粉体スポットを大きくすることができる。

【0039】

以上の構成によれば、造形条件を変更する場合にも、加工ノズルを交換する必要なく、溶融プール径に合わせて加工材料の射出径および射出量を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。

【0040】

［第４実施形態］
上記実施形態では、内側筐体と外側筐体とのいずれか一方のみをスライド移動させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、内側筐体と外側筐体の両方を同時に上下動させてもよい。例えばレーザ出力を上げて加工温度を上昇させる場合、ノズルと加工面間距離を大きく取り、加工点からの熱輻射によるノズルへのダメージを低減することが望まれるからである。

【0041】

図８のように、粉体スポット径を変えることなく、内側筐体と外側筐体の両方を上方に移動させてもよい。この場合、図５Ｂと同様に図９に示すモデルを利用すれば、以下のようにｈ₃を導くことができる。
ｈ₃ ＝ （ｄ／２）ｔａｎθ＋（Ｄ₃／２）ｔａｎθ
＝［（ｄ＋Ｄ₃）／２］ｔａｎθ
同じ溶融プール径Ｄ₁に対しては、Ｄ₁×tanθだけ、ノズル全体を上方にずらせば、粉体スポット径を変えることなく、加工点からの熱輻射によるノズルへのダメージを低減できる。

【0042】

以上、本実施形態によれば、粉体スポット径を維持しつつ、ノズルと加工面間距離を変更することができる。

【0043】

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)８００について、図１０を用いて説明する。光加工装置１０００は、上述の実施形態で説明した加工ノズル１００、２００、６００のいずれかを含み、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。ここでは一例として、加工ノズル２００を備えた光加工装置１０００について説明する。

【0044】

《装置構成》
光加工装置１０００は、光源１００１、光伝送部１０１５、ステージ１００５、材料収容装置１００６、材料供給部１０３０、加工ヘッド１００８および制御部１００７を備えている。

【0045】

光源１００１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。材料の溶融に使うエネルギー線はレーザ光に限るものではなく、加工点で粉体材料を溶融することができるものであればどのようなエネルギー線でもよい。例えば電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などのエネルギー線であってもよい。

【0046】

光伝送部１０１５は、例えばコア径がφ０．０１〜１ｍｍの光ファイバであり、光源１００１で発生した光を加工ヘッド１００８に導く。

【0047】

材料収容装置１００６は、加工ヘッド１００８に対し、材料供給部１０３０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、でよい。

【0048】

材料供給部１０３０は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流を加工ヘッド１００８へと導く。ただし、材料が線材の場合は、キャリアガスは不要となる。

【0049】

加工ヘッド１００８は、エネルギー線としての光を集束させる集束装置を内部に備え、その集束装置の下流に、加工ノズル２００が取り付けられている。加工ヘッド１００８に供給されたレーザ光は、内部に設けられたレンズ等からなる光学系を介することで、加工面２２０において集光するように調整されており、加工ノズル２００内部を経て加工面２２０に照射される。光学系は、レンズ間隔等を制御することで、集光位置を制御可能に設けられている。

【0050】

制御部１００７は、細書きまたは太書き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１００１からのレーザ光の出力値を変更すると共に、加工ノズル２００の外側筐体２０２をスライドさせる。これにより、加工ノズル２００から射出される粉体による粉体スポット径を溶融プール径に合わせて制御する。

【0051】

《装置動作》
次に、光加工装置１０００の動作について説明する。造形物１０１０は、ステージ１００５の上で作成される。加工ヘッド１００８から射出される射出光は、造形物１０１０上の加工面２２０において集光される。加工面２２０は、集光によって昇温され、溶融され、一部に溶融プールを形成する。

【0052】

材料は加工ノズル２００から加工面２２０の溶融プール２６０へと射出される。そして、溶融プール２６０に材料が溶け込む。その後、溶融プール２６０が冷却され、固化することで加工面２２０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。

【0053】

以上の構成によれば、レーザ光の集光位置を制御しつつ、粉体材料のスポット位置を制御し、溶融領域の大きさに合わせた調整を行うことができる。したがって、加工条件の変更に対応した調整を、都度加工ノズルを交換することなく行うことができるので、溶融領域に効率よく粉体材料を供給できる。

【0054】

［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、本願発明の範疇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。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する制御プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】