特許 7486440 ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルおよびＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタ

(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】2024-05-09

(45)【発行日】2024-05-17

(54)【発明の名称】ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルおよびＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタ

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/34 20140101AFI20240510BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240510BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240510BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

B23K26/34

B33Y30/00

B33Y10/00

B23K26/21 Z

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2021004335

(22)【出願日】2021-01-14

(65)【公開番号】P2022109027

(43)【公開日】2022-07-27

【審査請求日】2023-10-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100146710

【弁理士】

【氏名又は名称】鐘ヶ江 幸男

(74)【代理人】

【識別番号】100186613

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】篠崎 弘行

【審査官】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－８８１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４７２４２９９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５００２４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ １０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルであって、
ＤＥＤノズル本体と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射させるためのレーザー口と、
前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射させるための粉体口と、
前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、
前記粉体通路および前記粉体口の向きは、
前記粉体口から造形点までの距離、
前記粉体口から出射される粉体材料の速度、および
重力加速度、
に基づいて決定されている、
ＤＥＤノズル。

【請求項2】

請求項１に記載のＤＥＤノズルであって、
前記粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記粉体通路および前記粉体口の向きが決定されている、
ＤＥＤノズル。

【請求項3】

請求項１または２に記載のＤＥＤノズルであって、
前記粉体口から出射された粉体およびレーザー口から出射されたレーザーは造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように構成されている、
ＤＥＤノズル。

【請求項4】

ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタであって、
前記ＤＥＤノズルに取り付けられたときに、前記ＤＥＤノズルのレーザー通路に連通する、アダプタレーザー通路と、
前記アダプタレーザー通路を通ったレーザーを出射させるためのアダプタレーザー口と、
前記ＤＥＤノズルに取り付けられたときに、前記ＤＥＤノズルの粉体通路に連通する、アダプタ粉体通路と、
前記アダプタ粉体通路を通った粉体材料を出射させるためのアダプタ粉体口と、を有し、
前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きは、
前記アダプタ粉体口から造形点までの距離、
前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度、および
重力加速度、
に基づいて決定されている、
アダプタ。

【請求項5】

請求項４に記載のアダプタであって、
前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きが決定されている、
アダプタ。

【請求項6】

請求項４または５に記載のアダプタであって、
前記アダプタ粉体口から出射された粉体およびアダプタレーザー口から出射されたレーザーが造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように構成されている、
アダプタ。

【請求項7】

ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルの設計方法であって、
ＤＥＤノズル本体の先端に設けられる粉体材料を出射するための粉体口の向き、および、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための、前記粉体口に連通する粉体通路の向きを、
前記粉体口から造形点までの距離、
前記粉体口から出射される粉体材料の速度、および
重力加速度、
に基づいて決定する、
方法。

【請求項8】

請求項７に記載の方法であって、
前記粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記粉体通路および前記粉体口の向きを決定する、
方法。

【請求項9】

請求項７または８に記載の方法であって、
前記粉体口から出射された粉体およびレーザー口から出射されたレーザーは造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように前記粉体通路および前記粉体口の向きを決定する、
方法。

【請求項10】

ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタの設計方法であって、
ＤＥＤノズル本体の先端に取り付けられた状態で、粉体材料を出射するためのアダプタ粉体口の向き、および、前記アダプタ粉体口に連通するアダプタ粉体通路の向きを、
前記アダプタ粉体口から造形点までの距離、
前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度、および
重力加速度、
に基づいて決定する、
方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の方法であって、
前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きを決定する、
方法。

【請求項12】

請求項１０または１１に記載の方法であって、
前記アダプタ粉体口から出射された粉体およびアダプタレーザー口から出射されたレーザーが造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きを決定する、
方法。

【請求項13】

請求項１から３のいずれか一項のＤＥＤノズル、または請求項４から６のいずれか一項のアダプタ、を有するＡＭ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルおよびＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタに関する。

【背景技術】

【0002】

三次元物体を表現したコンピュータ上の三次元データから、三次元物体を直接的に造形する技術が知られている。たとえば、Additive Manufacturing（ＡＭ）（付加製造）法が知られている。一例として、デポジション方式のＡＭ法としてダイレクトエナジーデポジション（ＤＥＤ）がある。ＤＥＤは、金属材料を局所的に供給しながら適当な熱源を用いて基材と共に溶融、凝固させることで造形を行う技術である。また、ＡＭ法の一例として、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）がある。ＰＢＦは、二次元的に敷き詰められた金属紛体に対して、造形する部分に熱源であるレーザービームや電子ビームを照射して、金属紛体を溶融・凝固または焼結させることで三次元物体の各層を造形する。ＰＢＦでは、このような工程を繰り返すことで、所望の三次元物体を造形することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－８８１５４号公報

【文献】米国特許第４７２４２９９号明細書

【文献】国際公開９３／０１３８７１号

【文献】特開２００５－２１９０６０号公報

【文献】特表２０１９－５００２４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＰＢＦのように金属粉体を二次元的に敷き詰めた後に、金属粉体に対してまたは金属粉体の上にＤＥＤノズルを用いてレーザービームを照射して三次元物体の各層を造形することもできる。しかし、このような場合、一般に、ＤＥＤノズルは材料となる粉体材料やキャリアガスをＤＥＤノズルから供給しながら造形を行うので、キャリアガスの供給により予め敷き詰めてある金属粉体を吹き飛ばしてしまい、予定している造形を困難にしてしまう。本願は、ＤＥＤノズルを用いて、予め敷き詰められた粉体材料の上に対して造形するための技術を提供することを１つの目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態によれば、ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルが提供され、かかるＤＥＤノズルは、ＤＥＤノズル本体と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射させるためのレーザー口と、前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射させるための粉体口と、前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、前記粉体通路および前記粉体口の向きは、前記粉体口から造形点までの距離、前記粉体口から出射される粉体材料の速度、および、重力加速度、に基づいて決定されている。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。

【図2】一実施形態による、ＤＥＤノズルの断面を概略的に示す図である。

【図3】参考例としての従来のＤＥＤノズルの断面を概略的に示す図である。

【図4】ＤＥＤノズルから出射される粉体粒子の軌跡を説明する図である。

【図5】一実施形態による、所与の条件により粉体粒子をＤＥＤノズルから出射したときの粉体粒子の軌跡を示す概略図である。

【図6】一実施形態による、所与の条件により粉体粒子をＤＥＤノズルから出射したときの粉体粒子の軌跡を示す概略図である。

【図7】一実施形態による、所与の条件により粉体粒子をＤＥＤノズルから出射したときの粉体粒子の軌跡を示す概略図である。

【図8】一実施形態による、所与の条件により粉体粒子をＤＥＤノズルから出射したときの粉体粒子の軌跡を示す概略図である。

【図9】一実施形態による、所与の条件により粉体粒子をＤＥＤノズルから出射したときの粉体粒子の軌跡を示す概略図である。

【図10】一実施形態による、アダプタが取り付けられたＤＥＤノズルの断面を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明に係る造形物を製造するためのＡＭ装置、ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズル、およびＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタの実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

【0008】

図１は、一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、ベースプレート１０２を備える。ベースプレート１０２上に造形物Ｍが造形されることになる。ベースプレート１０２は、造形物Ｍを支持することができる任意の材料から形成されるプレートとすることができる。一実施形態において、ベースプレート１０２は、ＸＹステージ１０４の上に配置される。ＸＹステージ１０４は、水平面内で直交する二方向（ｘ方向、ｙ方向）に移動可能なステージ１０４である。なお、ＸＹステージ１０４は、高さ方向（ｚ方向）に移動可能なリフト機構に連結されていてもよい。また、一実施形態においては、ＸＹステージ１０４はなくてもよい。

【0009】

一実施形態において、図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、ＤＥＤヘッド２００を備える。ＤＥＤヘッド２００は、レーザー源２０２、粉体材料源２０４、およびガス源２０６に接続されている。ＤＥＤヘッド２００は、ＤＥＤノズル２５０を有する。ＤＥＤノズル２５０は、レーザー源２０２、粉体材料源２０４、およびガス源２０６からのレーザー、粉体材料、およびガスを噴射するように構成される。

【0010】

ＤＥＤヘッド２００は任意のものとすることができ、たとえば公知のＤＥＤヘッドを使用することができる。ＤＥＤヘッド２００は、移動機構２２０に連結されており、移動可能に構成される。移動機構２２０は、任意のものとすることができ、たとえば、レールなどの特定の軸に沿ってＤＥＤヘッド２００を移動可能なものとしてもよく、あるいは、任意の位置および向きにＤＥＤヘッド２００を移動させることができるロボットから構成されてもよい。一実施形態として、移動機構２２０は、直交する３軸に沿ってＤＥＤヘッド２００を移動可能に構成することができる。

【0011】

一実施形態によるＡＭ装置１００は、図１に示されるように制御装置１７０を有する。
制御装置１７０は、ＡＭ装置１００の各種の動作機構、たとえば上述のＤＥＤヘッド２００、各種の動作機構２２０などの動作を制御するように構成される。制御装置１７０は、一般的なコンピュータまたは専用コンピュータから構成することができる。

【0012】

図２は、一実施形態によるＤＥＤノズル２５０の断面を概略的に示す図である。図示の実施形態によるＤＥＤノズル２５０は、全体として切頭円錐形状のＤＥＤノズル本体２５９を備える。図示の実施形態によるＤＥＤノズル２５０は、ＤＥＤノズル本体２５９の中心に、レーザー源２０２から導かれるレーザー２５１が通過する第１通路２５２を備える。第１通路２５２を通ったレーザー２５１は、ＤＥＤノズル本体２５９のレーザー口２５２ａから放出される。一実施形態において、第１通路２５２は断面が円形の通路であり、図示のようにレーザー口２５２ａに向かって断面の円形の半径が小さくなるように形成されている。また、一実施形態として、第１通路２５２は、断面の円形の半径が一定の通路としてもよい。

【0013】

また、ＤＥＤノズル本体２５９は、第１通路２５２の外側に、粉体材料源２０４から供給される粉体材料、およびガス源２０６から供給される粉体材料を輸送するためのキャリアガスが通過する第２通路２５４を備える。第２通路２５４を通った粉体材料は粉体口２５４ａから放出される。一実施形態において、第２通路２５４は、第１通路２５２を囲う１つのリング状の断面を持つ通路とすることができる。また、一実施形態において、第２通路２５４は、第１通路２５２を囲うように配置された、円形の断面を備える複数の通路とすることができる。一実施形態において、第２通路２５４は、三角形や四角形の断面形状を備えてもよい。たとえば、ＤＥＤノズル本体２５９を、第２通路２５４を境界として内側本体と外側本体とに区分できる構造とし、内側本体と外側本体とが接する面に第２通路２５４となる溝を機械的に加工することで、小さな細い通路を制作するのが容易である。

【0014】

なお、キャリアガスは、たとえばアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスとすることができる。キャリアガスとして、空気より重いアルゴンガスを使用することがより望ましい。なお、キャリアガスに空気よりも重い不活性ガスを用いることで、造形点２５３およびその付近において粉体材料が溶融して形成される溶融池を不活性ガスで覆うことができ、溶融池および造形物の酸化を防止することができる。

【0015】

他の実施形態において、さらに、ＤＥＤノズル本体２５９は、第２通路２５４の外側に、シールドガスが通過する第３通路、および第３通路を通ったシールドガスが排出されるガス口を備えてもよい。ＤＥＤノズル２５０が第３通路を備える場合、第３通路は、第１通路２５２および第２通路２５４を囲う１つのリング状の断面を持つ通路としてもよく、また、第３通路は、第１通路２５２および第２通路２５４を囲うように配置された、円形の断面を備える複数の通路としてもよい。

【0016】

一般に、ＤＥＤノズル２５０は、レーザー口２５２ａから出射されるレーザー２５１および粉体口２５４ａから放出される粉体材料が、造形点２５３で収束するように設計される。図３は、参考例としての従来のＤＥＤノズル２５０の断面を概略的に示す図である。図３に示される従来のＤＥＤノズル２５０は、造形点２５３で、レーザー２５１が通る第１通路２５２および第２通路２５４の延長線が交差するように設計されている。従来のＤＥＤノズルとして、任意の向きの金属表面などに任意の角度でＤＥＤノズルを向けて造形を行うことができるものがある。そのため、粉体材料は、高圧なキャリアガスとともに第２通路２５４を通過し、粉体口２５４ａから高速で供給される。しかし、そのような従来のＤＥＤノズル２５０で粉体材料が敷き詰められた表面を造形する場合、ＤＥＤノズル２５０から供給される高圧・高速のガスが、造形点２５３付近に敷き詰められた材料粉体を吹き飛ばしてしまい、意図した造形を行うことができない。そこで、敷き詰められた材料
粉体を吹き飛ばさないように、ＤＥＤノズル２５０から供給するキャリアガスの圧力を小さくして、低速で粉体材料を供給しようとすると、造形点２５３に適切に粉体材料を供給できないという問題が生じる。

【0017】

図４は、ＤＥＤノズル２５０から出射される粉体粒子の軌跡を説明する図である。ＤＥＤノズル２５０の粉体口２５４ａから造形点２５３までの距離を
垂直距離：ｙ［ｍ］
水平距離：ｘ［ｍ］
重力加速度：ｇ［ｍ／ｓ^２］
ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する角度：θ［ｄｅｇ］
ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度：Ｖ［ｍ／ｓ］
とすると、ある粉体粒子が粉体口２５４ａから出射され、時間ｔ［ｓ］後の粉体粒子の位置は、
ｘ＝Ｘ（ｔ）＝Ｖｔ×ｓｉｎ（θ）
ｙ＝Ｙ（ｔ）＝－｛（ｇ／２）ｔ^２＋Ｖｔｃｏｓ（θ）｝
ただし、ｔ＝０は粉体粒子がＤＥＤノズル２５０の粉体口２５４ａを出射するとき
と表すことができる。なお、ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度Ｖは、キャリアガスが粉体口２５４ａから放出される速度に等しいと仮定している。また、粉体材料が出射する角度θは、鉛直方向に対する角度である。

【0018】

たとえば、ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度Ｖ［ｍ／ｓ］が十分に大きい場合、Ｖｔｃｏｓ（θ）＞＞（ｇ／２）ｔ^２となるので、粉体材料に作用する重力の影響はほとんどなく、粉体粒子の軌道は、実質的には、
ｘ＝Ｘ（ｔ）＝Ｖｔ×ｓｉｎ（θ）
ｙ＝Ｙ（ｔ）＝－Ｖｔｃｏｓ（θ）
となる。具体的には、図４の破線で示されるように、レーザー２５１が通る第１通路２５２および粉体材料が通る第２通路２５４の延長線が造形点２５３で交差するように設計される。

【0019】

しかし、ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度Ｖ［ｍ／ｓ］が小さい場合、粉体材料に作用する重力の影響があり、粉体粒子の軌道は、
ｘ＝Ｘ（ｔ）＝Ｖｔ×ｓｉｎ（θ）
ｙ＝Ｙ（ｔ）＝－｛（ｇ／２）ｔ^２＋Ｖｔｃｏｓ（θ）｝
となり、具体的には図４の一点鎖線で示されるようになる。そのため、ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度Ｖ［ｍ／ｓ］が小さい場合、粉体粒子は、意図している造形点２５３に供給されず、造形点２５３よりも下方の位置に供給されることになる。

【0020】

一例として、造形点２５３がＤＥＤノズル２５０の粉体口２５４ａから
垂直距離：－２０ｍｍ
水平距離：７．２５ｍｍ
に設計された従来のＤＥＤノズルにおいて、
粒子の速度：Ｖ＝２０［ｍ／ｓ］
粒子の出射角度：θ＝２０［ｄｅｇ］
重力加速度：ｇ＝９．８［ｍ／ｓ^２］
としたときの、粉体粒子の軌跡が図５に示されている。また、図５は、同条件で粒子の速度：Ｖ＝１．０［ｍ／ｓ］としたときの粉体粒子の軌跡を示している。

【0021】

図５に示されるように、粒子の速度をＶ＝２０［ｍ／ｓ］などと比較的に高圧・高速でキャリアガスおよび粉体材料を供給する従来のＤＥＤノズルにおいては、粉体材料の出射方向と、レーザーの出射方向の幾何学的な交点を造形点２５３とすれば、造形点２５３に
おいて出射されたレーザー２５１に粉体材料が供給されて、適切な造形を行うことができる。これは、比較的に粉体粒子が高速で出射されるために、造形点２５３に到達するまでに重量の影響をあまり受けないからである。

【0022】

一方、図５に示されるように、粒子の速度をＶ＝２０［ｍ／ｓ］とすることが想定された従来のＤＥＤノズルを用いて、たとえばＶ＝１．０［ｍ／ｓ］のように比較的に低速でキャリアガスおよび粉体材料を粉体口２５４ａから出射させた場合、粉体粒子は意図した造形点２５３を通らない。これは、粉体粒子が低速で出射されるために、造形点２５３に到達するまでに重量の影響を受けるからである。そのため、比較的に低速でキャリアガスおよび粉体材料を供給するＤＥＤノズルにおいては、単純に粉体粒子の出射方向とレーザーの出射方向との幾何学的な交点を造形点２５３とすることができない。

【0023】

そこで、本開示においては、比較的に低速でキャリアガスおよび粉体材料を供給するＤＥＤノズル２５０において、造形点２５３に適切に粉体材料を供給できるように、ＤＥＤノズルにおいて粉体材料を出射する角度を重力の影響を考慮して設計する。具体的には、造形点２５３の位置や粉体粒子の出射速度Ｖに応じて、上述の式から粉体粒子が造形点２５３を通るように、ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する角度θ［ｄｅｇ］、すなわち粉体口２５４ａおよび第２通路２５４の向きを決定する。

【0024】

図２に示される実施形態によるＤＥＤノズル２５０おいて、粉体材料およびキャリアガスが通過する第２通路２５４は、粉体口２５４ａの少し手前の位置で通路の向きが変更されている。図２に示される実施形態によるＤＥＤノズル２５０において、第２通路２５４は、粉体口２５４ａの少し手前における第２通路２５４（粉体通路）の延長線が造形点２５３よりも上方で交差するように設計される。

【0025】

一例として、造形点２５３をＤＥＤノズル２５０の粉体口２５４ａから
垂直距離：－２０ｍｍ
水平距離：７．２５ｍｍ
の位置とし、
ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度：Ｖ＝１．０［ｍ／ｓ］
とする場合、θ＝２２［ｄｅｇ］とすれば、造形点２５３でレーザーと粉体粒子とが交差する。図６は、かかる条件のときの粉体粒子の軌道を示すグラフである。

【0026】

一例として、造形点２５３をＤＥＤノズル２５０の粉体口２５４ａから
垂直距離：－２０ｍｍ
水平距離：７．２５ｍｍ
の位置とし、
ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度：Ｖ＝０．５［ｍ／ｓ］
とする場合、θ＝２７［ｄｅｇ］とすれば、造形点２５３でレーザーと粉体粒子とが交差する。図７は、かかる条件のときの粉体粒子の軌道を示すグラフである。

【0027】

一例として、造形点２５３をＤＥＤノズル２５０の粉体口２５４ａから
垂直距離：－２０ｍｍ
水平距離：７．２５ｍｍ
の位置とし、
ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度：Ｖ＝０．２［ｍ／ｓ］
とする場合、θ＝４５［ｄｅｇ］とすれば、造形点２５３でレーザーと粉体粒子とが交差する。図８は、かかる条件のときの粉体粒子の軌道を示すグラフである。

【0028】

一例として、造形点２５３をＤＥＤノズル２５０の粉体口２５４ａから
垂直距離：－２０ｍｍ
水平距離：７．２５ｍｍ
の位置とし、
ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度：Ｖ＝０．１５［ｍ／ｓ］
とする場合、θ＝５９［ｄｅｇ］とすれば、造形点２５３でレーザーと粉体粒子とが交差する。図９は、かかる条件のときの粉体粒子の軌道を示すグラフである。

【0029】

上述のように、造形点２５３およびＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度Ｖに応じてＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射される角度θを設計することで、粉体材料を造形点２５３に適切に供給することができる。より具体的には、ＤＥＤノズル２５０において、粉体口２５４ａの直前の第２通路２５４の向きを鉛直方向に対して上述のθ［ｄｅｇ］とすることで、ＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射される角度を上述のθ［ｄｅｇ］とすることができる。

【0030】

なお、上述の実施形態において、ＤＥＤノズル２５０から出射される粉体材料とレーザーとは、造形点２５３で交差するように図示、説明したが、粉体材料とレーザーとは造形点２５３の少し上方で交差するように設計してもよい。たとえば、一実施形態において、粉体材料とレーザーとが、上記の造形点２５３におけるレーザーの照射幅の約１倍から３倍の距離だけ上記の造形点２５３から上方の位置で交差するように設計することができる。一例として、レーザーの造形点２５３での幅（ＦＷＨＭまたは１／ｅ^２など）が約２ｍｍである場合、粉体材料とレーザーとが約２ｍｍから約６ｍｍだけ造形点２５３の上方で交差するように設計することができる。造形点２５３の少し上の位置で粉体材料とレーザーとが交わることで、造形点２５３の少し上の位置で粉体材料に熱を与えて溶融させ、造形点２５３に溶融した材料を供給することができる。

【0031】

上述の実施形態においては、造形点２５３または造形点２５３付近に予め粉体が配置されている状態でＡＭ造形を行う場合において、ＤＥＤノズル２５０から放出するキャリアガスにより予め敷き詰められている粉体を吹き飛ばすことがないような低い流速Ｖでキャリアガスおよび粉体材料をＤＥＤノズル２５０から供給するときにでも、ＤＥＤノズル２５０から造形点２５３に粉体材料を供給することができる。なお、予め敷き詰められている粉体を吹き飛ばすことがない低い流速Ｖとして、約１ｍ／ｓ以下の流速であることが好ましい。また、より好ましくは、ＤＥＤノズル２５０から放出されるキャリアガスの流速は、約０．３ｍ／ｓから約０．１ｍ／ｓの間である。

【0032】

ＤＥＤノズル２５０を使用したＡＭ造形において、造形する場所や材料などに応じて粉体材料が出射する速度を変更したい場合がある。しかし、上述のように粉体材料の出射速度Ｖを変更すると、粉体材料を造形点２５３に適切に供給することができないことがある。粉体材料が出射する速度Ｖに応じて、粉体材料およびキャリアガスが通過する第２通路２５４の向きが異なる複数のＤＥＤノズルを用意するのはコストが高くなる。

【0033】

そこで、本開示は、一実施形態において、ＤＥＤノズルの先端に着脱可能なアダプタ３００を開示する。図１０は、一実施形態によるＤＥＤノズル２５０の断面を示す図である。図１０に示されるＤＥＤノズル２５０の先端には、粉体材料およびキャリアガスの出射方向を変更するためのアダプタ３００が取り付けられている。

【0034】

アダプタ３００は、全体としてリング状の形状であり、ＤＥＤノズル２５０の先端に着脱可能な形状および構造を備える。アダプタ３００は、ＤＥＤノズル２５０に取り付けられたときにＤＥＤノズル２５０のレーザーが通過する第１通路２５２に連絡する、アダプタレーザー通路３０２を備える。また、ＤＥＤノズル２５０に取り付けられたときにＤＥＤノズル２５０のキャリアガスおよび粉体材料が通過する第２通路２５４に連絡する、ア
ダプタ粉体通路３０４を備える。ＤＥＤノズル２５０の第１通路２５２およびアダプタ３００のアダプタレーザー通路３０２を通ったレーザー２５１は、アダプタ３００のアダプタレーザー口３０２ａから放出される。また、ＤＥＤノズル２５０の第２通路２５４およびアダプタ３００のアダプタ粉体通路３０４を通ったキャリアガスおよび粉体材料は、アダプタ３００のアダプタ粉体口３０４ａから放出される。

【0035】

アダプタ３００のアダプタ粉体通路３０４は、上述のように造形点２５３の位置およびＤＥＤノズル２５０から粉体材料が出射する速度Ｖに応じて向き（鉛直方向に対する角度θ［ｄｅｇ］）が決められる。そのため、アダプタ粉体通路３０４の向きが異なる複数のアダプタ３００を用意することで、同一のＤＥＤノズル２５０であってもアダプタ３００を変更することで、ＤＥＤノズル２５０から粉体材料を出射する角度θを変更することができる。

【0036】

なお、ＤＥＤノズル２５０が、シールドガスが通過する第３通路を備える場合、アダプタ３００に、ＤＥＤノズル２５０の第３通路に連通するアダプタシールドガス通路を設けてもよい。

【0037】

上述の実施形態から少なくとも以下の技術的思想が把握される。
［形態１］形態１によれば、ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルが提供され、かかるＤＥＤノズルは、ＤＥＤノズル本体と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射させるためのレーザー口と、前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射させるための粉体口と、前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、前記粉体通路および前記粉体口の向きは、前記粉体口から造形点までの距離、前記粉体口から出射される粉体材料の速度、および、重力加速度、に基づいて決定されている。

【0038】

［形態２］形態２によれば、形態１によるＤＥＤノズルにおいて、前記粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記粉体通路および前記粉体口の向きが決定されている。

【0039】

［形態３］形態３によれば、形態１または形態２によるＤＥＤノズルにおいて、前記粉体口から出射された粉体およびレーザー口から出射されたレーザーは造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように構成されている。

【0040】

［形態４］形態４によれば、ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタが提供され、かかるアダプタは、前記ＤＥＤノズルに取り付けられたときに、前記ＤＥＤノズルのレーザー通路に連通する、アダプタレーザー通路と、前記アダプタレーザー通路を通ったレーザーを出射させるためのアダプタレーザー口と、前記ＤＥＤノズルに取り付けられたときに、前記ＤＥＤノズルの粉体通路に連通する、アダプタ粉体通路と、前記アダプタ粉体通路を通った粉体材料を出射させるためのアダプタ粉体口と、を有し、前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きは、前記アダプタ粉体口から造形点までの距離、前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度、および、重力加速度、に基づいて決定されている。

【0041】

［形態５］形態５によれば、形態４によるアダプタにおいて、前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きが決定されている。

【0042】

［形態６］形態６によれば、形態４または形態５によるアダプタにおいて、前記アダプ
タ粉体口から出射された粉体およびアダプタレーザー口から出射されたレーザーが造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように構成されている。

【0043】

［形態７］形態７によれば、ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルの設計方法が提供され、かかる方法は、ＤＥＤノズル本体の先端に設けられる粉体材料を出射するための粉体口の向き、および、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための、前記粉体口に連通する粉体通路の向きを、前記粉体口から造形点までの距離、前記粉体口から出射される粉体材料の速度、および、重力加速度、に基づいて決定する。

【0044】

［形態８］形態８によれば、形態７による方法において、前記粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記粉体通路および前記粉体口の向きを決定する。

【0045】

［形態９］形態９によれば、形態７または形態８による方法において、前記粉体口から出射された粉体およびレーザー口から出射されたレーザーは造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように前記粉体通路および前記粉体口の向きを決定する。

【0046】

［形態１０］形態１０によれば、ＡＭ装置に使用されるＤＥＤノズルに着脱可能なアダプタの設計方法が提供され、かかる方法は、ＤＥＤノズル本体の先端に取り付けられた状態で、粉体材料を出射するためのアダプタ粉体口の向き、および、前記アダプタ粉体口に連通するアダプタ粉体通路の向きを、前記アダプタ粉体口から造形点までの距離、前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度、および、重力加速度、に基づいて決定する。

【0047】

［形態１１］形態１１によれば、形態１０による方法において、前記アダプタ粉体口から出射される粉体材料の速度が０．３ｍ／ｓ以下として前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きを決定する。

【0048】

［形態１２］形態１２によれば、形態１０または形態１１による方法において、前記アダプタ粉体口から出射された粉体およびアダプタレーザー口から出射されたレーザーが造形点で交差する、または、造形点より高い位置で交差する、ように前記アダプタ粉体通路および前記アダプタ粉体口の向きを決定する。

【0049】

［形態１３］形態１３によれば、ＡＭ装置が提供され、かかるＡＭ装置は、形態１から形態３のいずれか１つの形態によるＤＥＤノズル、または形態４から形態６のいずれか１つの形態によるアダプタを有する。

【符号の説明】

【0050】

１００…ＡＭ装置
２５０…ＤＥＤノズル
２５１…レーザー
２５２…第１通路
２５３…造形点
２５４…第２通路
２５９…ノズル本体
３００…アダプタ
３０２…アダプタレーザー通路
３０４…アダプタ粉体通路
２５２ａ…レーザー口
２５４ａ…粉体口
３０２ａ…アダプタレーザー口
３０４ａ…アダプタ粉体口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】