特許 6375031 加工用ノズル、加工ヘッドおよび光加工装置

(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】6375031

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】加工用ノズル、加工ヘッドおよび光加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/144 20140101AFI20180806BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20180806BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/144

   B23K26/34

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-160781(P2017-160781)

(22)【出願日】2017年8月24日

(62)【分割の表示】特願2016-510851(P2016-510851)の分割

【原出願日】2015年11月11日

(65)【公開番号】特開2018-8315(P2018-8315A)

(43)【公開日】2018年1月18日

【審査請求日】2017年9月11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２７年度 経済産業省「産業技術開発（次世代産業用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】大野 博司

(72)【発明者】

【氏名】津野 聡

(72)【発明者】

【氏名】笹木 裕司

(72)【発明者】

【氏名】小原 豪

(72)【発明者】

【氏名】岡田 直忠

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−３４０５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−６６２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−５１８７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／１４４

Ｂ２３Ｋ ２６／３４

Ｂ２２Ｆ ３／１１５

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ２９Ｃ ６７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源からの光を通過させる光線経路を内包するインナーコーンと、
前記インナーコーンの外側に配置されたアウターコーンと、
前記インナーコーンと前記アウターコーンとの間隙で形成され、加工用の粉体を含有する流体を加工面に向けて射出する射出口を備えた流体射出流路と、
前記インナーコーンの外周に設けられ、前記流体を導入する流入口を前記流体射出流路に対して前記光線経路側に有し、前記流入口から導入した前記流体を、前記流入口より前記光線経路から離れる方向に設けられた前記流体射出流路の上流端部に拡散させて誘導する流体誘導流路と、
を備える加工用ノズル。

【請求項2】

前記インナーコーンと前記アウターコーンとは、同軸に配置され、前記流体誘導流路は、前記流体を前記流体射出流路に誘導するように開口された開口部を少なくとも１つ有し、前記開口部と前記流体射出流路との間に前記流体を拡散させるバッファを有する請求項１に記載の加工用ノズル。

【請求項3】

前記流体誘導流路は、前記流入口を少なくとも１つ有し、
前記開口部の数は、前記流入口の数よりも多い請求項２に記載の加工用ノズル。

【請求項4】

前記流体誘導流路は、シーケンシャルに並ぶ複数の分岐部により構成され、
各分岐部は、流体が流入する分岐部流入口と、前記流体が流出する分岐部開口部とを有し、
前記シーケンシャルに並ぶ複数の分岐部のうち最後の分岐部の分岐部流入口は、その分岐部の分岐部開口部よりも光線経路側に配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加工用ノズル。

【請求項5】

前記複数の分岐部のうち特定の分岐部の分岐部流入口は、その分岐部の分岐部開口部よりも外側に配置されることにより、その分岐部に流れる前記流体を前記光線経路に近づく方向に誘導する請求項４に記載の加工用ノズル。

【請求項6】

前記開口部は、前記光線経路を軸として、回転対称に配置されている請求項請求項３乃至５のいずれか１項に記載の加工用ノズル。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の加工用ノズルを用いた光加工装置。

【請求項8】

前記流体に含まれる材料を収容する材料収容部と、
前記流体を前記加工用ノズルに供給する材料供給部と、
をさらに備えた請求項７に記載の光加工装置。

【請求項9】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の加工用ノズルと、
前記光源と、
前記光源から発生した光を伝送する光伝送部と、
前記光伝送部から伝送された光を前記光線経路に誘導する光学系と、
をさらに有する加工ヘッド。

【請求項10】

請求項９に記載の加工ヘッドを備えた光加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加工材料を含む流体に光を照射して造形物を造形する光加工装置において、当該流体を加工点に噴射する加工用ノズルに関する。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、加工ノズル内の粉体流路であるスリットへ向けて、スリットの外側から粉体を供給する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第７２２３９３５号明細書

【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、粉体流に乱流が発生するため、粉体流の流速と粉体密度とにムラが生じ、粉体収束性を向上させることができなかった。

【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、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を通過させる光線経路を内包するインナーコーンと、
前記インナーコーンの外側に配置されたアウターコーンと、
前記インナーコーンと前記アウターコーンとの間隙で形成され、加工用の粉体を含有する流体を加工面に向けて射出する射出口を備えた流体射出流路と、
前記インナーコーンの外周に設けられ、前記流体を導入する流入口を前記流体射出流路に対して前記光線経路側に有し、前記流入口から導入した前記流体を、前記流入口より前記光線経路から離れる方向に設けられた前記流体射出流路の上流端部に拡散させて誘導する流体誘導流路と、
を備える。

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
上記加工用ノズルを用いた。

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る加工ヘッドは、
上記加工用ノズルと、
前記光源と、
前記光源から発生した光を伝送する光伝送部と、
前記光伝送部から伝送された光を前記光線経路に誘導する光学系と、
をさらに有する。

【0009】

上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
上記加工ヘッドを備えた。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、粉体流に乱流が発生しないので、粉体流の流速と粉体密度とにムラが生じず、粉体収束性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実施形態に係る加工用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用ノズルの構成を示す概略上面図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す概略側断面図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す斜視図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す概略側断面図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルの分岐部（上段）における粉体流の流れの概要を説明する概略上面図である。

【図7】本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルの分岐部（下段）における粉体流の流れの概要を説明する概略上面図である。

【図8】本発明の第３実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す斜視図である。

【図9】本発明の第３実施形態に係る加工用ノズルの構成および粉体流の流れを示す概略上面図である。

【図10】本発明の第４実施形態に係る光加工装置の構成を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載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用ノズルについて、図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る加工用ノズル１００の構成を説明する斜視図である。加工用ノズル１００は、光加工装置のヘッド先端に配置され、取り付けられるものである。そして、加工用ノズル１００を取り付けた光加工装置は、加工面１６０上の加工点１６１に向けてレーザ光などの光線１９０を集光させる。

【0014】

材料としての金属粉体などは、不活性ガスに混合されて、粉体流１７０などの流体として加工用ノズル１００に対して供給され、加工用ノズル１００の先端の射出口１３１から加工点１６１に向けて射出される。そして、光加工装置は、加工用ノズル１００から噴射された粉体流１７０に含まれる金属粉体などをレーザ光などの光線１９０により溶融することにより、３次元造形物の造形や肉盛溶接などを行う。

【0015】

図１に示したように、加工用ノズル１００は、インナーコーン１０１と、アウターコーン１０２と、流体射出流路（スリット）１０３と、流体誘導流路（分岐部）１０４とを含む。インナーコーン１０１は、図示しない光源からの光線１９０を通過させる光線経路１５０を内包する。アウターコーン１０２は、インナーコーン１０１の外側に配置されている。スリット１０３は、インナーコーン１０１の外面とアウターコーン１０２の内面とで形成され、加工面１６０に向けて開口する射出口１３１を備える。流体誘導流路１０４およびその流入口１４２は、同軸に配置された２つの環状壁から構成される。それら２つの環状壁の外周側には、所定間隔に複数形成された分岐通過口１４１が設けられている。分岐通過口１４１は、流体が光線経路１５０から離れる方向に誘導されるように開口されている。以上の構成により、流入口１４２から流入した流体は、流体誘導流路１０４によって分岐通過口１４１に導かれる。さらに、流体射出流路１０３に向けて光線経路１５０から離れる方向に誘導される。

【0016】

加工用ノズル１００は、全体的な構造として、外面が先細り（円錐）形状のインナーコーン１０１の外側に、内面で形成される空間が同じく先細り（円錐）形状のアウターコーン１０２を同軸に配置した構造となっている。そして、このような構造としたことにより、インナーコーン１０１の外面とアウターコーン１０２の内面とで形成される隙間、つまり、スリット１０３が形成される。なお、インナーコーン１０１とアウターコーン１０２とは同軸に配置しなくてもよく、インナーコーン１０１とアウターコーン１０２との間にスリット１０３が形成されれば、配置の仕方は限定されない。

【0017】

そして、材料である金属粉体などを含む粉体流１７０は、このスリット１０３内を通過して、加工点１６１まで到達する。また、レーザ光などの光線１９０は、光線経路１５０を通過して加工点１６１まで到達する。

【0018】

分岐部１０４の外径は、円錐形状のインナーコーン１０１の底面の外径よりも小さくなっており、分岐部１０４とアウターコーン１０２との間には空間が形成され、この空間がバッファ槽１４３となる。

【0019】

分岐部１０４には、分岐通過口１４１と流入口１４２とが設けられている。流入口１４２から供給された粉体流１７０は、分岐部１０４へと流入する。

【0020】

そして、流体誘導路としての分岐部１０４内へ流入した粉体流１７０は、分岐部１０４に設けられた分岐部１０４の開口部である分岐通過口１４１を通過して、分岐部１０４の内側から外側へと流れていく。分岐通過口１４１を通過して流れ出た粉体流１７０は、バッファ槽１４３へと流入する。その後、粉体流１７０は、バッファ槽１４３からスリット１０３へと流入し、スリット１０３を通過して加工点１６１に供給される。したがって、加工用ノズル１００の先端の射出口１３１からは、加工点１６１に対して、粉体流１７０が射出され、射出された粉体流１７０に対して光線経路１５０からレーザ光などの光線１９０が照射される。

【0021】

光線経路１５０には、光線１９０を通過させると共に不活性ガスを流している。不活性ガスとしては、アルゴンやヘリウム、窒素などがあるがこれらには限定されない。不活性ガスを流すことにより、加工面１６０や加工点１６１の酸化を防止し、さらに、加工面１６０や加工点１６１からのヒュームなどの異物が、加工用ノズル１００へ混入するのを防止できる。

【0022】

次に、図２および図３を用いて、加工用ノズル１００による流体の供給経路について説明する。図２は、本実施形態に係る加工用ノズル１００の構成を説明する概略上面図である。図３は、本実施形態に係る加工用ノズル１００の構成を説明する概略側断面図である。なお、図２においては、図面が煩雑になるのを避けるため、インナーコーン１０１やアウターコーン１０２、分岐部１０４の厚みなどは適宜省略している。

【0023】

図２に示したように、複数の分岐通過口１４１は、中心軸１８０に対して回転対称に配置されている。ここで、回転対称とは、対象物を回転軸周りに回転させたときに、回転角３６０°未満でもとの形状と一致することをいう。なお、本実施形態においては、分岐通過口１４１の分岐数は、８（８分岐）となっているが、分岐数はこれには限定されず、２分岐、４分岐、１６分岐などであってもよい。また、通過分岐口１４１を回転対称に配置することにより、複数の分岐通過口１４１が一定の間隔で並ぶので、粉体流１７０が中心軸１８０に対して等方的に等分岐される。

【0024】

図３に示したように、図示しない材料供給部から供給された粉体流１７０は、同図の矢印で示したように加工点１６１に供給される。詳細には、流入口１４２から流入した粉体流１７０は、分岐通過口１４１を通過してバッファ槽１４３へ向かって、射出される。すなわち、粉体流１７０は、分岐部１０４内から中心軸１８０に対して外側へ向かって射出され、バッファ槽１４３へ流入する。そして、バッファ槽１４３に流入した粉体流１７０は、インナーコーン１０１とアウターコーン１０２との間隙で形成されるスリット１０３へ流入する。スリット１０３に流入した粉体流１７０は、スリット１０３内を流れ、スリット１０３の先端部の射出口１３１から加工点１６１へ向けて射出される。

【0025】

以上のように、粉体流１７０は、中心軸１８０から遠ざかる方向、すなわち、内側から外側へ向かう方向へ誘導される。さらに、分岐通過口１４１が回転対称に配置されているので、粉体流１７０などの流体を、等方的に自然に拡散させることができる。これにより、粉体流１７０の濃度を均一化することができるので、濃度の濃淡ムラを低減することができる。これとは反対に、粉体流１７０を中心軸１８０に向かう方向、つまり、粉体流１７０が圧縮される方向に粉体流１７０を流すと、粉体流１７０内の粉体の濃度に濃淡ムラが生じる。つまり、粉体流１７０を等方的に自然拡散させることにより、粉体流１７０内の粉体の濃度の濃淡ムラを低減できる。そして、加工用ノズル１００内部において、粉体流１７０の濃淡ムラが低減すると、スリット１０３における粉体流１７０の濃度の均一性も増大し、加工点１６１における粉体流１７０の粉体収束性が向上する。

【0026】

また、粉体流１７０は、流入口１４２という狭い空間から、分岐通過口１４１を介してバッファ槽１４３による広い空間に流入することになるので、粉体流１７０の流速が一旦低下する。そして、粉体流１７０の流速が低下することにより、粉体流１７０がバッファ槽１４３に滞在する時間が増加するので、粉体流１７０や粉体流１７０に含まれる粉体が、バッファ槽１４３において自然拡散される時間が増加する。つまり、バッファ槽１４３において、粉体流１７０が十分に拡散されるので、粉体流１７０に含まれる粉体の濃淡ムラをより低減することができ、乱流の発生も抑制できる。そして、バッファ槽１４３内部において、粉体流１７０の濃淡ムラが低減すると、スリット１０３における粉体流１７０の濃度の均一性も増大し、加工点１６１における粉体流１７０の粉体収束性が向上する。

【0027】

粉体流１７０の流路としてのスリット１０３は、加工点１６１に近づくにつれて、スリット１０３の中心軸を横切る断面積が小さくなるようになっている。そして、スリット１０３を流れる粉体流１７０の流速（速度）は、スリット１０３の断面積にほぼ反比例するので、粉体流１７０が加工点１６１に近づくにつれて流速は、上がっていく。つまり、射出口１３１において、射出する粉体流１７０の射出速度を高めることができるので、粉体流１７０を加工点１６１まで確実に到達させることができると共に、粉体収束性も向上させることができる。なお、スリット１０３の中心軸を横切る断面積の大きさは、加工点１６１に近づくにつれて小さくなるものには限定されず、例えば、一定であっても徐々に大きくなるものであってもよい。

【0028】

また、光線１９０はレーザ光に限られるものではなく、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様な光線でもよい。例えば、赤外線から紫外線領域の電磁波などの光線であってもよい。

【0029】

本実施形態によれば、粉体流に乱流が発生しないので、粉体流の流速と粉体密度とにムラが生じず、粉体収束性を向上させることができる。また、粉体流に含まれる粉体の加工用ノズル内部での濃淡ムラを低減できるので、粉体収束性を向上させることができる。

【0030】

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルについて、図４乃至図７を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る加工用ノズルの構成を説明するための斜視図である。図５は、本実施形態に係る加工用ノズルによる流体供給の概要を説明するための概略側断面図である。本実施形態に係る加工用ノズルは、上記第１実施形態と比べると、粉体流の流入用パイプが設けられ、分岐部が上下２段構成になっている点で異なる。その他の構成および動作は、第１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。

【0031】

加工用ノズル４００は、分岐部４０４ａ、分岐部４０４ｂ、導入用パイプ４４４および分岐通過口４４５を備える。分岐部４０４ａには、導入用パイプ４４４が設けられ、導入用パイプ４４４の導入口４４２は、加工用ノズル４００の外側（外部）に位置している。つまり、導入口４４２は、分岐部４０４ａよりも中心軸１８０から離れた位置にある。導入用パイプ４４４または導入口４４２をこのように配置することにより、粉体流１７０が、加工用ノズル４００の外側から供給される場合であっても、粉体流１７０を中心軸１８０に近い側、すなわち、加工用ノズル４００の内部に導入することが可能となる。

【0032】

そして、分岐部４０４ａと分岐部４０４ｂとは、上下に２段で並んでおり、分岐部４０４ａおよび分岐部４０４ｂにより、粉体流１７０を誘導する流体誘導流路が形成されている。粉体流１７０などの流体は、分岐部４０４ａに設けられた分岐部開口部と分岐部４０４ｂに設けられた分岐部流入口をつなぐ分岐通過口４４５から分岐部４０４ｂへ流入し、分岐部４０４ｂに設けられた分岐部開口部を通過してスリット１０３へと流れ込んでいく。つまり、導入用パイプ４４４の導入口４４２から供給された粉体流１７０は、上段の分岐部４０４ａを流れ、その後、下段の分岐部４０４ｂへ流入する。分岐部４０４ｂへ流入した粉体流１７０は、分岐部４０４ｂに設けられた分岐部開口部からバッファ槽１４３に連通する４か所設けられた分岐通過口４４１からバッファ槽１４３へと流出する。バッファ層１４３へ流出した粉体流１７０は、スリット１０３へと流れ込み、射出口１３１から加工面１６０へ向かって射出される。

【0033】

次に、図６および図７を用いて、分岐部４０４ａおよび分岐部４０４ｂにおける粉体流１７０の流れについて説明する。図６は、本実施形態に係る加工用ノズルの上段の分岐部４０４ａにおける粉体流１７０の流れの概要を説明する概略上面図である。図７は、本実施形態に係る加工用ノズルの下段の分岐部４０４ｂにおける粉体流１７０の流れの概要を説明する概略上面図である。なお、図６および図７においては、図が煩雑になるのを避けるため、分岐部の厚みなどは適宜省略している。

【0034】

図６に示したように、導入用パイプ４４４の導入口４４２から分岐部４０４ａへ供給された粉体流１７０は、分岐部４０４ａの内部で２つに分岐される。そして、２つに分岐した粉体流１７０は、分岐部４０４ａの底面に位置する分岐通過口４４５から下段の分岐部４０４ｂへ流入する。すなわち、粉体流１７０は、上段の分岐部４０４ａから下段の分岐部４０４ｂへと落下することにより、分岐部４０４ｂへと流入する。

【0035】

図７に示したように、分岐部４０４ａで２分岐され、分岐部４０４ｂに流入した粉体流１７０それぞれは、分岐部４０４ｂの内部でさらに２つに分岐され、粉体流１７０は、合計４つに分岐される。そして、４つに分岐された粉体流１７０は、分岐部４０４ｂからバッファ槽１４３に連通する４つの分岐通過口４４１からバッファ槽１４３へと流出する。

【0036】

以上のように、粉体流１７０は、分岐部４０４ａで２分岐された後、分岐部４０４ｂでさらに２分岐されて４分岐された粉体流１７０となる。そして、４分岐された粉体流１７０は、分岐通過口４４１からバッファ槽１４３を通過して、スリット１０３へと流入し、射出口１３１から加工点１６１へ噴射され、供給される。

【0037】

また、分岐通過口４４１は、中心軸１８０に対して回転対称に配置されているので、粉体流１７０を等方的に均等分岐することができる。なお、分岐部４０４ａおよび分岐部４０４ｂにおける分岐の数は、本実施形態に示した数（２分岐から４分岐）には限定されず、例えば、４分岐から８分岐、８分岐から１６分岐などであってもよい。

【0038】

本実施形態によれば、光線経路に対して粉体流を放射状に広げることで粉体流をノズル内部で拡散させることができる。その際、従来のように外部で分岐された流体同士がノズル内部でぶつかり合って生じる乱流が発生しない。このため、粉体流の流速にムラが生じず、粉体収束性を向上させることができる。また、粉体流に含まれる粉体の加工用ノズル内部での濃淡ムラを低減できるので、粉体収束性を向上させることができる。さらに、粉体流が均等に分岐されるので、スリットにおける粉体流の濃度の均一性が増大し、粉体収束性が向上する。また、光線経路に対して放射状の粉体流の流れを作り出すことができるので、粉体流の自然な拡散を実現できる。

【0039】

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る加工用ノズルについて、図８および図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る加工用ノズル８００の構成を説明するための斜視図である。なお、同図においては、インナーコーンとアウターコーンとで構成される加工用ノズルの先端部分などは適宜図示を省略している。本実施形態に係る加工用ノズル８００は、上記第２実施形態と比べると、粉体流を順次２分岐、４分岐して最終的に８分岐する構成となっている点で異なる。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。

【0040】

加工用ノズル８００は、分岐部８０４ｃをさらに備える。つまり、加工用ノズル８００は、上流側から順に、分岐部４０４ａ、分岐部４０４ｂ、分岐部８０４ｃの順に分岐部が並んだ、３段構造の構成となっている。

【0041】

分岐部４０４ｂおよび分岐部８０４ｃは、分岐部４０４ａの下部に設けられており、分岐部８０４ｃは、分岐部４０４ｂの外側に設けられている。すなわち、分岐部８０４ｃの直径は、分岐部４０４ｂの直径よりも大きくなっている。そして、分岐部４０４ａ、分岐部４０４ｂおよび分岐部８０４ｃは、中心軸１８０に対して同軸に配置されている。

【0042】

このように分岐部４０４ａ、４０４ｂ、８０４ｃを順に並べることにより、流体誘導路としての分岐部４０４ａ、４０４ｂ、８０４ｃがシーケンシャルに並ぶことになる。粉体流１７０は、導入用パイプ４４４の導入口４４２から、中心軸１８０に向かって噴射され、分岐部４０４ａに導入される。なお、本実施形態においては、導入用パイプ４４４を用いて、分岐部４０４ａの外側から粉体流１７０を導入する例を示したが、上記第１実施形態で示したように、分岐部４０４ａの上側から粉体流１７０を導入してもよい。

【0043】

図９は、加工用ノズル８００の構成および粉体流の流れを模式的に示した概略上面図である。なお、同図においては、図が煩雑になるのを避けるため、各分岐部の厚みなどは適宜省略している。

【0044】

導入用パイプ４４４から分岐部４０４ａに流入した粉体流１７０は、左右２つに分岐され、分岐部４０４ａの底面に設けられた２つの分岐通過口４４５から、分岐部４０４ａの下部に設けられた分岐部４０４ｂへと流入する。分岐部４０４ｂに流入した粉体流１７０のそれぞれは、さらに２つに分岐され、合計４つの粉体流１７０へと分岐される。そして、４つに分岐された粉体流１７０は、分岐部４０４ｂから分岐部８０４ｃに連通する４つの分岐通過口４４１から、分岐部８０４ｃへと流出する。

【0045】

分岐部８０４ｃへと流出した４つの粉体流１７０のそれぞれは、さらに２つに分岐され、合計８つの粉体流１７０へと分岐される。そして、８つに分岐された粉体流１７０は、分岐部８０４ｃからバッファ槽１４３に連通する８つの分岐通過口８４１から、バッファ槽１４３へと流出する。

【0046】

すなわち、加工用ノズル８００では、粉体流１７０は、分岐部４０４ａにおいて２分岐され、次に分岐４０４ｂにおいて４分岐され、さらに、分岐部８０４ｃにおいて８分岐されて、バッファ槽１４３へと導かれる。

【0047】

本実施形態によれば、粉体流に乱流が発生しないので、粉体流の流速と粉体密度とにムラが生じず、粉体収束性を向上させることができる。また、分岐部を３段構成としたので、粉体流の流速を抑えられ、粉体流の拡散時間を長くでき、粉体流を均等化することができる。

【0048】

なお、上述の説明では、分岐部が３段構造の例を用いて説明をしたが、分岐部の構成は３段構造には限定されず、例えば、５段や７段などの３段よりも多い段数構成の構造であってもよい。

【0049】

また、上述の説明では、分岐部４０４ｂ（第２段目）から分岐部８０４ｃ（第３段目）へと段数が進むと、粉体流１７０が中心軸１８０よりも遠ざかる方向に誘導される例で説明をした。しかしながら、例えば、４段以上の多段構成の構造を採用した場合、最終段の分岐部（バッファ槽１４３の直前の分岐部）以外の段数の分岐部において、中心軸１８０に近づく方向に粉体流１７０を誘導する分岐部を設けてもよい。このような構成とすることで、粉体流１７０の流速と粉体密度とを自在に制御することが可能となる。

【0050】

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)１０００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用ノズル１００、４００、８００のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で粉体流に含まれる材料を溶融することにより三次元造形物を造形したり、肉盛溶接を生成したりする装置である。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。

【0051】

《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。

【0052】

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(Light Emitting Diode)、ハロゲンランプ、キセノンランプなどを用いることができる。材料の溶融に使う光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光線でもよい。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光線であってもよい。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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１７０を加工ヘッド１００８へと導く。

【0056】

加工ヘッド１００８は、光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、加工用ノズル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１６０において集光するように調整されており、加工用ノズル２００内部を経て加工面１６０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。

【0057】

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、加工用ノズル２００の外側筐体をスライドさせる。これにより、加工用ノズル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。

【0058】

《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１６０において集光される。加工面１６０は、集光によって昇温され、溶融され、一部に溶融プール１６２を形成する。

【0059】

材料は加工用ノズル２００から加工面１６０の溶融プール１６２へと射出される。そして、溶融プール１６２に材料が溶け込む。その後、溶融プール１６２が冷却され、固化することで加工面１６０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。

【0060】

本実施形態によれば、粉体収束性のよい加工用ノズルを用いるので、精度の高い光加工を行うことができる。

【0061】

［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。

【0062】

上述の説明では、加工用ノズル２００、光源１００１、光伝送部１０１５および光学系をそれぞれ別個の部材として説明をしたが、これらの部材を一体的に形成して加工ヘッド１００８としてもよい。そして、光源１００１から光伝送部１０１５を伝って伝送された光は、加工用ノズル２００に到達し、光伝送部１０１５の終端から射出される。この際、光は光伝送部１０１５の終端から所定の発散角で発散される。この発散光は、加工用ノズル２００内の光学系によって、いったん平行光に変換され、さらに加工面１６０に向けて集光される。ここで、発散角が大きいほど、平行光のビーム径は大きくなる。

【0063】

一般的に、発散角を大きくするよりも小さくするほうが技術的に難しい。つまり、ビーム径を小さくするのは技術的に難しく、光源および光伝送部の高コスト化や大型化を招いてしまう。そのため、ビーム径が大きくても動作する光加工ヘッドが望まれる。

【0064】

本ノズルを用いた光加工ヘッド１００８は、流体誘導流路を光線経路のまわりに配置することができる。そのため、どのようなビーム径でも設計可能であるという効果がある。一方、従来のノズルの外部で分岐された分岐流体をノズルの外部から内部へ流入させ、ノズル内部で分岐流体同士をぶつけ合い、合流および拡散させる必要がある。そのため、従来では光線経路を大きく取ることが難しかった。

【0065】

また、上述の説明では、加工用ノズル２００、材料供給部１０３０および材料収容装置１００６をそれぞれ別個の部材として説明をしたが、これらの部材を一体的に形成して光加工装置１０００としてもよい。材料は、粉体流によって材料収容装置１００６から材料供給部１０３０を通り、加工用ノズル２００に誘導される。この際、本実施形態においては供給経路に分岐部を必要としない。このため、装置全体の構成がシンプルになり、コンパクト化が可能になるという効果がある。また、分岐部の位置によって粉体流の圧力損失が変動する。粉体流の圧力損失は粉体収束性に影響する。本ノズルを用いれば、分岐部が射出口に対して常に同じ位置に配置されるため、そのような粉体収束性の劣化を低減できるという効果がある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】