特許 7063670 ノズルおよび積層造形装置

(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】

(24)【登録日】2022-04-25

(45)【発行日】2022-05-09

(54)【発明の名称】ノズルおよび積層造形装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/209 20170101AFI20220426BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20220426BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20220426BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20220426BHJP

   B22F 10/20 20210101ALI20220426BHJP

   B22F 12/53 20210101ALI20220426BHJP

【ＦＩ】

B29C64/209

B29C64/153

B29C64/268

B33Y30/00

B22F10/20

B22F12/53

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018058715

(22)【出願日】2018-03-26

(65)【公開番号】P2019166818

(43)【公開日】2019-10-03

【審査請求日】2021-02-16

【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）（出願人による申告）平成２８年度 経済産業省「平成２８年度エネルギー使用合理化技術開発費補助金（省エネルギー型製造プロセス実現に向けた三次元積層造形技術の開発・実用化事業）」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

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】000003458

【氏名又は名称】芝浦機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】津野 聡

(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】山田 智彦

(72)【発明者】

【氏名】塩見 康友

(72)【発明者】

【氏名】藤巻 晋平

【審査官】清水 研吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－００８３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９６２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７８１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２１９９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７５８７１３２（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１３９７７５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エネルギ線が通る第一通路を構成する第一内面と、
前記第一通路に沿って延びガスおよび材料の粉体が通る第二通路を構成する第二内面と、
を備え、
その先端部分において、前記第一通路が開口されるとともに、当該第一通路の近傍または周囲に第二通路が開口されたノズルであって、
前記第二内面の少なくとも一部に、前記第一内面、および前記先端部分の周囲の外周面のうち少なくとも一方よりも前記粉体に対する摩擦係数が大きく、尚且つ当該摩擦係数が０．５５以上である第一領域が設けられた、積層造形装置用のノズル。

【請求項2】

前記第一領域の面粗度は、前記第一内面、および前記外周面のうち少なくとも一方の面粗度よりも、大きい、請求項１に記載のノズル。

【請求項3】

前記第二通路は、前記第一通路を囲う環状の通路であり、前記第二内面は、凸曲面と当該凸曲面を隙間をあけて囲う凹曲面とを有した、請求項１または２に記載のノズル。

【請求項4】

前記ノズルは、前記第一内面と前記凸曲面とを有した第一部品と、当該第一部品を取り囲み前記凹曲面と前記外周面とを有した第二部品と、を有した、請求項３に記載のノズル。

【請求項5】

エネルギ線が通る第一通路を構成する第一内面と、
前記第一通路に沿って延びガスおよび材料の粉体が通る第二通路を構成する第二内面と、
前記第二内面の少なくとも一部に設けられたテクスチャ面と、
を備えた、積層造形装置用のノズル。

【請求項6】

請求項１～５のうちいずれか一つに記載のノズルと、
前記エネルギ線を生成する光源と、
前記粉体を前記ノズルに供給する供給部と、
を備えた、積層造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、ノズルおよび積層造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、積層造形物を形成する積層造形装置が知られている。積層造形装置は、ノズルから材料の粉体を供給するとともにレーザ光を出射することにより粉体を溶融させて材料の層を形成し、当該層を積み重ねることにより積層造形物を形成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－１９００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種の装置では、例えば、造形位置に供給する材料の粉体の収束性をより高めることができれば有益である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の積層造形装置のノズルは、エネルギ線が通る第一通路を構成する第一内面と、第一通路に沿って延びガスおよび材料の粉体が通る第二通路を構成する第二内面と、を備える。ノズルの先端部分においては、第一通路が開口されるとともに、当該第一通路の近傍または周囲に第二通路が開口される。第二内面の少なくとも一部には、第一内面および先端部分の周囲の外周面のうち少なくとも一方よりも粉体に対する摩擦係数が大きく、尚且つ当該摩擦係数が０．５５以上である第一領域が設けられる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、実施形態の積層造形装置の構成を示す模式的かつ例示的な図である。

【図2】図２は、実施形態の積層造形装置による造形処理（製造方法）の手順の一例が示された模式的かつ例示的な説明図である。

【図3】図３は、実施形態のノズルの先端部分の模式的かつ例示的な断面図である。

【図4】図４は、実施形態のノズルの図３のIV－IV位置での模式的かつ例示的な断面図である。

【図5】図５は、実施形態のノズルの各面の粉体に対する摩擦係数の測定装置の模式的かつ例示的な図である。

【図6】図６は、実施形態のノズルの各面の粉体に対する摩擦係数に関する引張力と垂直荷重との相関関係を示す模式的かつ例示的なグラフである。

【図7】図７は、実施形態のノズルの各面の粉体に対する摩擦係数に関する材料の粉体の粒径と摩擦係数との相関関係を示す模式的かつ例示的なグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成や制御（技術的特徴）、ならびに当該構成や制御によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。

【0008】

図１に示されるように、積層造形装置１は、処理槽１１や、ステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４、光学装置１５、計測装置１６、制御装置１７等を備えている。

【0009】

積層造形装置１は、ステージ１２上に配置された対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料１２１を層状に積み重ねることにより、所定の形状の積層造形物１００を造形する。

【0010】

対象物１１０は、ノズル装置１４によって材料１２１が供給される対象であって、ベース１１０ａおよび層１１０ｂを含む。複数の層１１０ｂがベース１１０ａの上面に積層される。材料１２１は、粉末状の金属材料や樹脂材料等である。造形には、一つ以上の材料１２１が用いられうる。

【0011】

処理槽１１には、主室２１と副室２２とが設けられている。副室２２は、主室２１と隣接して設けられている。主室２１と副室２２との間には扉部２３が設けられている。扉部２３が開かれた場合、主室２１と副室２２とが連通され、扉部２３が閉じられた場合、主室２１が気密状態になる。

【0012】

主室２１には、給気口２１ａおよび排気口２１ｂが設けられている。給気装置（図示されず）の動作により、主室２１内に給気口２１ａを介して窒素やアルゴン等の不活性ガスが供給される。排気装置（図示されず）の動作により、主室２１から排気口２１ｂを介して主室２１内のガスが排出される。

【0013】

また、主室２１内には、移送装置（図示されず）が設けられている。また、主室２１から副室２２にかけて、搬送装置２４が設けられている。移送装置は、主室２１で処理された積層造形物１００を、搬送装置２４に渡す。搬送装置２４は、移送装置から渡された積層造形物１００を副室２２内に搬送する。すなわち、副室２２には、主室２１で処理された積層造形物１００が収容される。積層造形物１００が副室２２に収容された後、扉部２３が閉じられ、副室２２と主室２１とが隔絶される。

【0014】

主室２１内には、ステージ１２や、移動装置１３、ノズル装置１４の一部、計測装置１６等が設けられている。

【0015】

ステージ１２は、対象物１１０を支持する。移動装置１３（移動機構）は、ステージ１２を、互いに直交する３軸方向に移動することができる。

【0016】

ノズル装置１４は、ステージ１２上に位置された対象物１１０に材料１２１を供給する。また、ノズル装置１４のノズル３３は、ステージ１２上に位置された対象物１１０にレーザ光２００を照射する。ノズル装置１４は、複数の材料１２１を並行して供給することができるし、複数の材料１２１のうち一つを選択的に供給することができる。また、ノズル３３は、材料１２１の供給と並行してレーザ光２００を照射する。レーザ光２００は、エネルギ線の一例である。なお、レーザ光以外のエネルギ線を用いてもよい。エネルギ線は、レーザ光のように材料を溶融できるものであればよく、電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などであってもよい。

【0017】

ノズル装置１４は、供給装置３１や、供給装置３１Ａ、排出装置３２、ノズル３３、供給管３４等を有している。材料１２１は、供給装置３１から供給管３４を経てノズル３３へ送られる。また、気体は、供給装置３１Ａから、供給管３４Ａを経てノズル３３へ送られる。また、材料１２１は、ノズル３３から排出管３５を経て排出装置３２へ送られる。

【0018】

供給装置３１は、タンク３１ａと、供給部３１ｂと、を含む。タンク３１ａには、材料１２１が収容される。供給部３１ｂは、タンク３１ａの材料１２１を所定量供給する。供給装置３１は、粉状の材料１２１が含まれたキャリアガス（気体）を供給する。キャリアガスは、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスである。また、供給装置３１Ａは、供給部３１ｂを含む。供給装置３１Ａは、供給装置３１が供給するのと同種のガス（気体）を供給する。

【0019】

排出装置３２は、分級装置３２ａと、排出部３２ｂと、タンク３２ｃ，３２ｄと、を含む。排出部３２ｂは、ノズル３３から気体を吸入する。分級装置３２ａは、材料１２１とヒュームとを分離する。タンク３２ｃには、材料１２１が収容され、タンク３２ｄにはヒューム１２４が収容される。これにより、処理領域から、気体とともに、造形に用いられなかった材料１２１の粉体や、造形によって生成されたヒューム（金属ヒューム）、塵芥等が、排出される。排出部３２ｂは、例えば、ポンプである。

【0020】

また、図１に示されるように、光学装置１５は、光源４１と、光学系４２と、を備えている。光源４１は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光２００を出射する。光源４１は、出射するレーザ光のパワー密度を変更することができる。

【0021】

光源４１は、ケーブル２１０を介して光学系４２に接続されている。光源４１から出射されたレーザ光２００は、光学系４２を経てノズル３３に入る。ノズル３３は、レーザ光２００を、対象物１１０や、対象物１１０に向けて噴射された材料１２１に照射する。

【0022】

光学系４２は、具体的には、第１レンズ５１や、第２レンズ５２、第３レンズ５３、第４レンズ５４、ガルバノスキャナ５５等を、備えている。第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４は、固定されている。なお、光学系４２は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４を、２軸方向、具体的には光路に対して交叉する方向（例えば、直交方向）に移動可能な調整装置を備えてもよい。

【0023】

第１レンズ５１は、ケーブル２１０を介して入射されたレーザ光２００を平行光に変換する。変換されたレーザ光２００は、ガルバノスキャナ５５に入射する。

【0024】

第２レンズ５２は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第２レンズ５２で収束されたレーザ光２００は、ケーブル２１０を経てノズル３３に至る。

【0025】

第３レンズ５３は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第３レンズ５３で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。

【0026】

第４レンズ５４は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第４レンズ５４で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。

【0027】

ガルバノスキャナ５５は、第１レンズ５１で変換された平行光を、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４のそれぞれに入る光に分ける。ガルバノスキャナ５５は、第１ガルバノミラー５７と、第２ガルバノミラー５８と、第３ガルバノミラー５９と、を備えている。各ガルバノミラー５７，５８，５９は、光を分けるとともに、傾斜角度（出射角度）を変化することができる。

【0028】

第１ガルバノミラー５７は、第１レンズ５１を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第２ガルバノミラー５８に出射する。また、第１ガルバノミラー５７は、レーザ光２００の他部を反射させ、反射したレーザ光２００を第４レンズ５４に出射する。第１ガルバノミラー５７は、その傾斜角度によって、第４レンズ５４を通過したレーザ光２００の照射位置を変化させる。

【0029】

第２ガルバノミラー５８は、第１ガルバノミラー５７を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第３ガルバノミラー５９に出射する。また、第２ガルバノミラー５８は、レーザ光２００の他部を反射させ、反射したレーザ光２００を第３レンズ５３に出射する。第２ガルバノミラー５８は、その傾斜角度によって、第３レンズ５３を通過したレーザ光２００の照射位置を変化させる。

【0030】

第３ガルバノミラー５９は、第２ガルバノミラー５８を通過したレーザ光２００の一部を第２レンズ５２に出射する。

【0031】

光学系４２では、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、および第３レンズ５３によって、溶融装置４５が構成されている。溶融装置４５は、レーザ光２００の照射によって、ノズル３３から対象物１１０に供給された材料１２１（１２３）を加熱することにより、層１１０ｂを形成するとともにアニール処理を行う。

【0032】

また、光学系４２では、材料１２１の除去装置４６が構成されている。除去装置４６は、ベース１１０ａ上または層１１０ｂに形成された不要な部位をレーザ光２００の照射によって除去する。除去装置４６は、具体的には、ノズル３３による材料１２１の供給時における材料１２１の飛散によって発生する不要部位や、層１１０ｂの形成時に発生する不要部位等の、積層造形物１００の所定の形状とは異なる部位を除去する。除去装置４６は、当該不要部位を除去するのに足りるパワー密度を有するレーザ光２００を出射する。

【0033】

計測装置１６は、固化した層１１０ｂの形状および造形された積層造形物１００の形状を計測する。計測装置１６は、計測した形状の情報を制御装置１７に送信する。計測装置１６は、例えば、カメラ６１と、画像処理装置６２と、を備えている。画像処理装置６２は、カメラ６１で計測した情報に基づいて画像処理を行う。なお、計測装置１６は、例えば、干渉方式や光切断方式等によって、層１１０ｂおよび積層造形物１００の形状を計測する。

【0034】

移動装置７１（移動機構）は、ノズル３３を互いに直交する３軸方向に移動することができる。

【0035】

制御装置１７は、移動装置１３、搬送装置２４、供給装置３１、供給装置３１Ａ、排出装置３２、光源４１、ガルバノスキャナ５５、画像処理装置６２、および移動装置７１に、信号線２２０を介して電気的に接続されている。

【0036】

制御装置１７は、移動装置１３を制御することで、ステージ１２を３軸方向に移動させる。制御装置１７は、搬送装置２４を制御することで、造形した積層造形物１００を副室２２に搬送する。制御装置１７は、供給装置３１を制御することで、材料１２１の供給の有無ならびに供給量を調整する。制御装置１７は、排出装置３２を制御することで、材料１２１の粉体やヒュームの排出の有無ならびに排出量を調整する。制御装置１７は、光源４１を制御することで、光源４１から出射されるレーザ光２００のパワー密度を調整する。制御装置１７は、ガルバノスキャナ５５を制御することで、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、および第３ガルバノミラー５９の傾斜角度を調整する。また、制御装置１７は、移動装置７１を制御することで、ノズル３３の位置を制御する。

【0037】

制御装置１７は、記憶部１７ａを備えている。記憶部１７ａには、造形する積層造形物１００の形状（参照形状）を示すデータ等が記憶されている。また、記憶部１７ａには、３次元の処理位置（各点）毎のノズル３３とステージ１２との高さを示すデータ等が記憶されている。

【0038】

制御装置１７は、ノズル３３から複数の異なる材料１２１を選択的に供給し、複数の材料１２１の比率を調整（変更）する機能を備えることができる。例えば、制御装置１７は、記憶部１７ａに記憶された各材料１２１の比率を示すデータに基づいて、当該比率で材料１２１の層１１０ｂが形成されるよう、供給装置３１等を制御する。この機能により、積層造形物１００の位置（場所）によって複数の材料１２１の比率が変化（漸減または漸増）する傾斜材料（傾斜機能材料）を造形することができる。具体的には、例えば、層１１０ｂの形成に際し、制御装置１７が、積層造形物１００の３次元座標の各位置に対応して設定された（記憶された）材料１２１の比率となるように、供給装置３１を制御することにより、積層造形物１００を、材料１２１の比率が３次元の任意の方向に変化する傾斜材料（傾斜機能材料）として造形することが可能である。単位長さあたりの材料１２１の比率の変化量（変化率）も、種々に設定することが可能である。

【0039】

制御装置１７は、材料１２１の形状を判断する機能を備えている。例えば、制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較することで、所定の形状でない部位が形成されているか否かを判断する。

【0040】

また、制御装置１７は、材料１２１の形状の判断により所定の形状でない部位と判断された不要な部位を除去することで、材料１２１を所定の形状にトリミングする機能を備えている。例えば、制御装置１７は、まず、所定の形状とは異なる部位に材料１２１が飛散して付着している場合に、第１ガルバノミラー５７を介して第４レンズ５４から出射されたレーザ光２００が材料１２１を蒸発可能なパワー密度となるように光源４１を制御する。次いで、制御装置１７は、第１ガルバノミラー５７を制御して、レーザ光２００を、当該部位に照射して材料１２１を蒸発させる。

【0041】

次に、図２を参照し、積層造形装置１による積層造形物１００の製造方法について説明する。図２に示されるように、まずは、材料１２１の供給およびレーザ光２００の照射が行われる。制御装置１７は、材料１２１がノズル３３から所定の範囲に供給されるよう供給装置３１，３１Ａ等を制御するとともに、供給された材料１２１がレーザ光２００によって溶融するよう、光源４１やガルバノスキャナ５５等を制御する。これにより、図２に示されるように、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを形成する範囲に、溶融した材料１２３が所定の量だけ供給される。材料１２３は、ベース１１０ａや層１１０ｂに噴射されると、変形して層状または薄膜状等の材料１２３の集合となる。あるいは、材料１２３は、材料１２１を運ぶガス（気体）によって冷却されるか若しくは材料１２１の集合への伝熱によって冷却されることにより、粒状で積層され、粒状の集合となる。

【0042】

次に、積層造形装置１では、アニール処理が行われる。制御装置１７は、ベース１１０ａ上の材料１２３の集合にレーザ光２００が照射されるよう、光源４１や溶融装置４５等を制御する。これにより、材料１２３の集合が再溶融されて層１１０ｂになる。

【0043】

次に、積層造形装置１では、形状計測が行われる。制御装置１７は、アニール処理が行われたベース１１０ａ上の材料１２３を計測するよう、計測装置１６を制御する。制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状とを、比較する。

【0044】

次に、積層造形装置１では、トリミングが行われる。制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、例えば、ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状とは異なる位置に付着していたことが判明した場合には、不要な材料１２３が蒸発するよう、光源４１や除去装置４６等を制御する。一方、制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、層１１０ｂが所定の形状であったことが判明した場合には、トリミングを行わない。

【0045】

上述した層１１０ｂの形成が終了すると、積層造形装置１は、当該層１１０ｂの上に、新たな層１１０ｂを形成する。積層造形装置１は、層１１０ｂを反復的に積み重ねることにより、積層造形物１００を造形する。

【0046】

ここで、図３，４が参照され、本実施形態の例示的なノズル３３の詳細な構成および機能が説明される。以下では、説明の便宜上、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向が用いられる。Ｘ方向は、図３では左右方向であり、Ｙ方向は、図３では紙面と垂直な方向であり、Ｚ方向は、図３では上下方向である。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに直交している。

【0047】

図３に示されるように、ステージ１２、積層造形物１００、対象物１１０、ベース１１０ａ、および層１１０ｂの上面は、Ｘ方向とＹ方向との平面に略沿って広がる。積層造形装置１では、ノズル３３およびステージ１２のうち少なくとも一方がＸ方向およびＹ方向に移動することによりノズル３３とステージ１２とが相対的に移動し、Ｘ方向およびＹ方向の平面に沿って材料１２１の層１１０ｂが形成される。そして、材料１２１の層１１０ｂが順次Ｚ方向に積層されることで、立体的な積層造形物１００が形成される。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向や横方向等と称されうる。Ｚ方向は、鉛直方向や、垂直方向、高さ方向、厚さ方向、縦方向等と称されうる。Ｘ方向およびＹ方向は、走査方向とも称され、Ｚ方向は、積層方向や、レーザ光２００の出射方向とも称されうる。

【0048】

ノズル３３は、ボディ３３０を備える。ボディ３３０は、全体的には細長い形状を有しており、例えば、窒化ホウ素（セラミック材料）等、耐熱性の高い材料で構成される。ボディ３３０の長手方向（軸方向）は、例えば、Ｚ方向に沿う。ボディ３３０の短手方向（幅方向）は、例えば、Ｘ方向およびＹ方向に沿う。ボディ３３０の形状は、略円柱状である。ただし、ボディ３３０の先端部分３３０ｔの形状は、テーパ状である。

【0049】

図３に示されているボディ３３０の先端部分３３０ｔは、外面（外表面）としての、端面３３１や、外周面３３２等を有する。端面３３１は、ボディ３３０の長手方向の端部（下端）に位置され、下面とも称されうる。端面３３１は、ステージ１２や、積層造形物１００、対象物１１０、溶融プールＰ等と面する。端面３３１は、Ｘ方向およびＹ方向に沿った平面状に形成されている。

【0050】

外周面３３２は、ボディ３３０の短手方向の端部に位置されている。外周面３３２の直径は、端面３３１に近付くにつれて小さくなっている。外周面３３２の形状は、円錐外面である。外周面３３２は、側面とも称され得る。先端部分３３０ｔの周囲の外周面３３２とは、例えば、外周面３３２のうちボディ３３０（ノズル３３）の先端（例えば端面３３１）の近傍の環状の領域であって、具体例としては、鏡面仕上げされている領域である。

【0051】

ボディ３３０内には、開口部３３３が設けられている。開口部３３３は、ボディ３３０の中心線Ｃ（中心軸）に沿いボディ３３０の長手方向に延びている。開口部３３３は、ボディ３３０をＺ方向に貫通している。開口部３３３は、第一貫通孔とも称されうる。開口部３３３は、ボディ３３０の端面３３１に開口されている。

【0052】

開口部３３３は、レーザ光２００の通路である。端面３３１において、開口部３３３からは、溶融プールＰに向けてレーザ光２００が出射される。Ｚ方向は、ボディ３３０および開口部３３３の長手方向であり、開口部３３３が延びる方向であるとともに、レーザ光２００の出射方向である。

【0053】

開口部３３３のＺ方向と交差した短手方向の断面の形状は円形である。開口部３３３の円形断面の直径は、端面３３１に近付くにつれて小さくなっている。すなわち、開口部３３３の内面３３３ａ、言い換えると開口部３３３を構成する内面３３３ａは、円錐内面である。開口部３３３は、第一通路の一例であり、内面３３３ａは、第一内面の一例であり、レーザ光２００は、エネルギ線の一例である。

【0054】

また、ボディ３３０内には、開口部３３４が設けられている。開口部３３４は、開口部３３３を間隔をあけて取り囲むように設けられている。また、開口部３３４は、ボディ３３０の長手方向に対して傾斜した方向に延びている。開口部３３４は、ボディ３３０を貫通している。開口部３３４は、第二貫通孔とも称されうる。開口部３３４は、ボディ３３０の端面３３１に開口されている。

【0055】

開口部３３４は、材料１２１の粉体の通路である。材料１２１の粉体は、開口部３３４内でガスによって移送される。端面３３１において、開口部３３４からは、材料１２１の粉体が溶融プールＰに向けて吐出される。

【0056】

図４に示されるように、開口部３３４のＺ方向と交差した短手方向の断面の形状は、円環状である。図３に示されるように、開口部３３４の円環状断面の直径は、端面３３１に近付くにつれて小さくなっている。開口部３３４の隙間ｄの大きさは、端面３３１からの距離によらず一定である。このような開口部３３４は、二つの内面３３４ａ（凸曲面３３４ａ１および凹曲面３３４ａ２）によって構成されている。二つの内面３３４ａのうち内側に位置する凸曲面３３４ａ１の形状は、円錐外面である。また、二つの内面３３４ａのうち外側に位置する凹曲面３３４ａ２の形状は、円錐内面である。凹曲面３３４ａ２は、凸曲面３３４ａ１と面し、当該凸曲面３３４ａ１を隙間ｄをあけて囲っている。開口部３３４は、第二通路の一例であり、内面３３４ａは、第二内面の一例である。

【0057】

開口部３３４の二つの内面３３４ａ間の隙間の中央を通る仮想円錐面Ｖｃの頂点Ｐｔは、端面３３１からＺ方向に所定距離Ｌだけ離れた位置である。頂点Ｐｔは、開口部３３３の中心線Ｃと重なっている。よって、レーザ光２００および材料１２１の粉体は、仮想円錐面Ｖｃの頂点Ｐｔの近傍に集束する。積層造形装置１では、溶融プールＰにおいてレーザ光２００と材料１２１の粉体とが集束するよう、端面３３１と、ステージ１２や、積層造形物１００、対象物１１０等とのＺ方向における相対的な距離が、適宜に設定あるいは調整される。

【0058】

また、ボディ３３０は、開口部３３４の凸曲面３３４ａ１を外周面とする第一部品３３０ａと、開口部３３４の凹曲面３３４ａ２を内周面とし外周面３３２を外周面とする第二部品３３０ｂと、を有している。第一部品３３０ａと第二部品３３０ｂとが、所定の相対位置および所定の相対姿勢で一体化されることにより、開口部３３４が設けられたボディ３３０が構成される。

【0059】

発明者らの鋭意研究により、材料１２１の粉体が流れる開口部３３４の内面３３４ａに、比較的粗い粗面領域が設けられた場合にあっては、内面３３４ａが鏡面である場合に比べて、開口部３３４から吐出された材料１２１の粉体の収束性が高まることが判明した。発明者らの鋭意研究により、このような構成によって材料１２１の粉体の収束性が高まるのは、材料１２１の粉体が粗面領域で反射することにより、粉体のガスの流れ方向と略直交する方向の速度成分が低減し、各粉体がガスに乗って流れるようになるのが一因であることが、判明している。よって、このような粗面領域は、減速領域や、緩衝領域、低反射率領域とも称されうる。

【0060】

粗面領域は、例えば、ボディ３３０内の凸曲面３３４ａ１および凹曲面３３４ａ２の全域に亘って設けられる。粗面領域は、第一領域の一例である。

【0061】

粗面領域は、例えば、テクスチャ面であってもよい。テクスチャ面は、テクスチャ加工によって得られた面であり、テクスチャ加工面とも称されうる。テクスチャ加工とは、物体の表面、この場合は内面３３４ａに、比較的微細な凹凸形状等を含むテクスチャ面を設ける加工である。

【0062】

凹凸形状としては、例えば、縞状（波状）の凹凸形状や、メッシュ状の凹凸形状、ドットパターンのような凹凸形状等がある。縞状の凹凸形状では、一方向に延びた複数の凹溝または凸条が当該一方向と交差した他方向に並んでいる。メッシュ状の凹凸形状では、一方向に延びて他方向に縞状に並ぶ複数の凹溝と他方向に延びて一方向に縞状に並ぶ複数の凹溝とが互いに交差するか、一方向に延びて他方向に縞状に並ぶ複数の凸条と他方向に延びて一方向に縞状に並ぶ複数の凸条とが互いに交差している。また、ドットパターン状の凹凸形状には、離散的に配置された複数のディンプルまたは小突起が含まれている。凹凸形状は、例えば、ミリスケールからナノメートルスケールまでの適宜な大きさや深さ（高さ）の微小な形状である。凹凸形状に含まれる凹溝、凸条、凹部、あるいは凸部は、規則的に設けられてもよいし、反復的に設けられてもよいし、ランダムに設けられてもよい。凹溝の深さ、凹溝の幅、凸条の高さ、凸条の幅、凹部の直径、凹部の深さ、凸部の直径、あるいは凸部の高さは、一例としては、材料１２１の粉体の粒径以上となるように設定される。凹溝や凸条が延びる方向は中心線Ｃの周方向であってもよいし、仮想円錐面Ｖｃの母線と交差する方向であってもよい。開口部３３４内で渦流が生じる場合、凹溝や凸条が延びる方向は仮想円錐面Ｖｃの母線と略平行であってもよい。

【0063】

テクスチャ加工には、種々の工法を採用することができる。テクスチャ加工は、例えば、サンドブラストや、ショットブラスト、ローラーバニッシュ加工、ローレット加工、切削、研磨、これらに類する機械加工等であってもよい。また、テクスチャ加工は、例えばレーザ加工のような高エネルギ加工や、ケミカルエッチング、イオンプレーティング、ナノインプリントのような処理であってもよい。また、テクスチャ加工は、それらの選択的な組み合わせであってもよい。

【0064】

テクスチャ加工は、例えば、第一部品３３０ａと第二部品３３０ｂとが一体化されてボディ３３０が構成される前に、第一部品３３０ａや第二部品３３０ｂのような単品に対して実行されうる。

【0065】

凹凸形状は、中心線Ｃ回りに環状に延びてもよい。この場合、粗面領域では、環状に設けられた微小幅の複数の凹溝あるいは凸条が、中心線Ｃの周方向に略沿っている。

【0066】

凹凸形状は、中心線Ｃ回りに螺旋状に延びてもよい。この場合、粗面領域には、例えば、微小幅の凹溝あるいは凸条の一重螺旋あるいは多重螺旋が設けられる。

【0067】

また、粗面領域は、例えば、材料１２１の粉体をランダムに反射する乱反射面であってもよい。乱反射面とは、材料１２１の粉体をランダムに反射する凹凸面である。乱反射面は、上述したテクスチャ加工等によって構成することができる。乱反射面は、拡散反射面とも称されうる。

【0068】

また、粗面領域は、例えば、ボディ３３０の他の面よりも面粗度が高い領域であってもよい。一例としては、粗面領域の面粗度が、開口部３３３の内面３３３ａの面粗度よりも高く設定されうる。内面３３３ａの面粗度が高いと、当該内面３３３ａに材料１２１の粉体が付着し、レーザ光２００の出射に支障を来したり塵芥となったりする虞がある。また、内面３３３ａの面粗度が高いと、当該内面３３３ａでレーザ光２００の乱反射が生じ、レーザ光２００の収束性が低下する虞がある。なお、面粗度としては、例えば、中心線平均粗さＲａや、十点平均高さＲｚ、最大高さＲｍａｘ等が用いられうる。

【0069】

別の一例としては、粗面領域の面粗度が、ボディ３３０の先端部分３３０ｔの外周面３３２の面粗度よりも高く設定されうる。外周面３３２の面粗度が高いと、当該外周面３３２に材料１２１の粉体が付着し、塵芥となる虞がある。

【0070】

また、粗面領域は、例えば、ボディ３３０の他の面よりも材料１２１の粉体に対する摩擦係数が高い領域であってもよい。一例としては、粗面領域の摩擦係数が、開口部３３３の内面３３３ａの摩擦係数よりも高く設定されうる。内面３３３ａの摩擦係数が高いと、当該内面３３３ａに材料１２１の粉体が付着し、レーザ光２００の出射に支障を来したり塵芥となったりする虞がある。また、内面３３３ａの摩擦係数が高いと、当該内面３３３ａでレーザ光２００の乱反射が生じ、レーザ光２００の収束性が低下する虞がある。

【0071】

別の一例としては、粗面領域の材料１２１の粉体に対する摩擦係数が、ボディ３３０の先端部分３３０ｔの外周面３３２の摩擦係数よりも高く設定されうる。外周面３３２の摩擦係数が高いと、当該外周面３３２に材料１２１の粉体が付着し、塵芥となる虞がある。

【0072】

図５は、測定装置４００を示す図である。ボディ３３０の各面の材料１２１の粉体に対する摩擦係数は測定装置４００によって測定することができる。ステージ４０１上には、摩擦係数の測定対象として各面と同じ表面性状の被測定面３０１を有したサンプル３００が固定される。サンプル３００の被測定面３０１上に材料１２１の粉体の塊１２２が乗せられる。粉体の塊１２２の少なくとも被測定面３０１との当接面には、複数の粉体が密集した状態で露出している。塊１２２上に乗せた錘４０２によって被測定面３０１上に垂直荷重Ｎを与えながら、引張力測定器４０３が塊１２２を引っ張るとともに、引張力Ｆを測定する。引張力測定器４０３は、重さ（垂直荷重Ｎ）が異なる複数の錘４０２を乗せた場合のそれぞれについて、引張力Ｆを測定する。

【0073】

図６は、測定装置４００における垂直荷重Ｎと引張力Ｆとの相関関係を示すグラフである。図６に示されるように、測定装置４００において、各サンプル３００について、異なる垂直荷重Ｎによる測定が実施され、各垂直荷重Ｎと引張力Ｆとの相関関係を実験的に取得する。図６において、被測定面３０１の摩擦係数μは、垂直荷重Ｎと引張力Ｆとの相関を示す１次の近似関数の傾き（ｔａｎθ）である。近似関数は、例えば最小二乗法等の回帰分析によって取得する。

【0074】

図７は、材料１２１の粉体の粒径（直径）と摩擦係数との相関関係を示すグラフである。ｄ５０は、材料１２１の粉体の粒径の分布のメジアン値であり、粒径の代表値の一例である。また、Ｒｚは、表面粗さにおける凹凸形状の高さ（深さ）である。ｄ５０／Ｒｚは、表面粗さによって無次元化された粒径であり、値が小さいほど表面粗さに対する相対的な粒径が小さく、値が大きいほど表面粗さに対する相対的な粒径が大きいことを示している。図７の相関関係は実験的に得られたものである。発明者らの鋭意研究により、粗面領域での表面粗さが材料１２１の粉体の粒径と同等以上、すなわち、ｄ５０／Ｒｚ≦１であれば、収束性を高める効果が得られることが判明している。図７のグラフから、ｄ５０／Ｒｚ≦１となるのは、μ≧０．５５であるから、粗面領域の摩擦係数μが０．５５以上であることが、収束性を高めることができる摩擦係数の条件となる。

【0075】

以上のように、本実施形態では、例えば、開口部３３４（第二通路）の内面３３４ａ（第二内面）の少なくとも一部に、開口部３３３（第一通路）の内面３３３ａ（第一内面）、および外周面３３２のうち少なくとも一方よりも、材料１２１の粉体に対する摩擦係数が大きい粗面領域（第一領域）が設けられている。このような構成によれば、例えば、開口部３３４から吐出される材料１２１の粉体の収束性をより高めることができるとともに、内面３３３ａや外周面３３２に材料１２１の粉体が付着するのを抑制することができる。また、例えば、内面３３３ａにおけるレーザ光の散乱を抑制することができる。

【0076】

また、本実施形態では、例えば、粗面領域の面粗度は、内面３３３ａの面粗度および外周面３３２の面粗度のうち少なくとも一方よりも、大きい。このような構成によれば、例えば、開口部３３４から吐出される材料１２１の粉体の収束性をより高めることができるとともに、内面３３３ａや外周面３３２に材料１２１の粉体が付着するのを抑制することができる。また、例えば、内面３３３ａにおけるレーザ光の散乱を抑制することができる。

【0077】

また、本実施形態では、例えば、開口部３３４は環状の通路であり、開口部３３４の内面３３４ａは、凸曲面３３４ａ１と凹曲面３３４ａ２とを有する。このような構成によれば、例えば、環状の開口部３３４を有したボディ３３０において、上述した粗面領域による効果を得ることができる。

【0078】

また、本実施形態では、例えば、ノズル３３のボディ３３０は、開口部３３３の内面３３３ａと開口部３３４の凸曲面３３４ａ１とを有した第一部品３３０ａと、当該第一部品３３０ａを取り囲み凹曲面３３４ａ２と外周面３３２とを有した第二部品３３０ｂと、を有する。このような構成によれば、例えば、粗面領域の加工を、第一部品３３０ａまたは第二部品３３０ｂの単品に対して実行することができる。よって、第一部品３３０ａと第二部品３３０ｂとが組み立てられた状態で粗面領域の加工が実行される場合に比べて、加工の手間やコストをより低減することができる。

【0079】

また、本実施形態では、例えば、開口部３３４の内面３３４ａの少なくとも一部にテクスチャ面が設けられている。このような構成によれば、例えば、開口部３３４から吐出される材料１２１の粉体の収束性をより高めることができる。

【0080】

以上、本発明の実施形態を例示したが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、本発明は、上記実施形態に開示される構成や制御（技術的特徴）以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、技術的特徴によって得られる種々の結果（効果、派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることができる。

【0081】

例えば、上記実施形態では、粗面領域は、開口部３３４の内面３３４ａ（凸曲面３３４ａ１および凹曲面３３４ａ２）の全域に亘って設けられたが、これには限定されない。粗面領域は、例えば、凸曲面３３４ａ１および凹曲面３３４ａ２のうち一方のみに設けられてもよい。また、粗面領域は、凸曲面３３４ａ１および凹曲面３３４ａ２のうち少なくとも一方に部分的に設けられてもよい。また、粗面領域は、開口部３３４の端面３３１側の出口側端部と端面３３１とは反対側の入口側端部との間に設けられればよい。また、凸曲面３３４ａ１に設けられた粗面領域と、凹曲面３３４ａ２に設けられた粗面領域とが、互いに面してもよい。また、開口部３３４のうち粗面領域が面した区間は、環状であり、少なくとも中心線Ｃの周方向に連続している。この場合、当該区間には、凸曲面３３４ａ１および凹曲面３３４ａ２のうち少なくとも一方に設けられた粗面領域が、面している。具体的には、凸曲面３３４ａ１および凹曲面３３４ａ２のうち少なくとも一方に環状の粗面領域が設けられてもよいし、凸曲面３３４ａ１に設けられた粗面領域と凹曲面３３４ａ２に設けられた粗面領域とが周方向に互い違いに設けられてもよい。また、凸曲面３３４ａ１は、円錐外面には限定されないし、凹曲面３３４ａ２は、円錐内面には限定されない。

【0082】

また、凹凸形状を構成する凹溝、凸条、凹部、凸部等のスペックも適宜に変更して実施されうる。

【符号の説明】

【0083】

１…積層造形装置、３１ｂ…供給部、３３…ノズル、４１…光源、３３０ａ…第一部品、３３０ｂ…第二部品、３３０ｔ…先端部分、３３１…端面、３３２…外周面、３３３…開口部（第一通路）、３３３ａ…内面（第一内面）、３３４…開口部（第二通路）、３３４ａ…内面（第二内面）、３３４ａ１…凸曲面（第一領域）、３３４ａ２…凹曲面（第一領域）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】