WO2016151781A1 - 加工ノズル、加工ヘッド、加工装置 - Google Patents

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小松　由尚
竜一 成田
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a machining nozzle, a machining head, and a machining apparatus.
  • Patent Document 1 discloses a technique for supplying a plurality of types of powders while changing the distribution rate.
  • Table 1 discloses a technique for gradually changing the powder mixing ratio from the first layer to the fifth layer.
  • Paragraph 0058 discloses that the concentration position of the powder flow 4 discharged from the gap at the tip of the inner nozzle 31 and the outer nozzle 32 changes as the inner nozzle 31 moves up and down.
  • the powder is injected from only one supply path 41 in both the configuration of FIG. 5 and the configuration of FIG. That is, only one type of powder can be supplied at a time. For this reason, when a plurality of types of powders are to be supplied to the processed surface, they must be mixed and supplied in advance, causing segregation during the supply, and the desired composition cannot be realized.
  • An object of the present invention is to provide a technique for solving the above-described problems.
  • a processing nozzle comprises: A processing nozzle for injecting a powder material to a molten pool formed on a processing surface by laser light, An inner casing constituting an optical path through which the laser beam passes; An outer casing disposed through a gap as the first supply path of the inner casing and the powder material; With A second powder supply path and a third supply path having a diameter different from that of the second supply path are provided inside the outer casing.
  • a machining head comprises: It includes the processing nozzle described above and a focusing device for focusing the laser beam.
  • a processing apparatus includes: The above processing head; A material supply unit for supplying the powder material to the processing head; It is provided with.
  • a processing nozzle 100 as a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • the processing nozzle 100 is a nozzle for injecting the powder material 130 to the molten pool 151 formed on the processing surface 150 by the laser beam 110.
  • the processing nozzle 100 includes an inner casing 101 that constitutes an optical path 111 through which the laser light 110 passes, and an outer casing 102 that is disposed via a gap as the supply path 103 for the inner casing 101 and the powder material 130. It is equipped with.
  • powder supply paths 121 and 122 are further provided in the outer casing 102.
  • the powder supply paths 121 and 122 have different diameters.
  • three supply paths 121 and three supply paths 122 are provided.
  • the outer casing 102 has a cylindrical shape, and the supply path 121 and the supply path 122 are alternately provided in a circumferential shape inside the outer casing 102.
  • FIG. 2 is an end view showing the downstream end of the processing nozzle 100. As shown in FIG. 2, at the downstream end of the processing nozzle 100, an opening 201 of the optical path 111, an opening 203 of the supply path 103, an opening 221 of the supply path 121, and an opening 222 of the supply path 122 Is provided.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the powder material 131 supplied from the ring-shaped supply path 103 forms a very thin flow in a ring shape and converges in a narrow range.
  • more powder material than the supply path 103 is supplied to the processing surface 150 from the six supply paths 121 and 122 arranged on the circumference.
  • the supply path 121 is formed to have a diameter larger than that of the supply path 122, and more powder material is supplied from the supply path 121 to the processing surface 150 than the supply path 122.
  • the powder material is supplied by changing the one used among these supply channels. For example, when performing high-definition modeling, the powder material is accurately supplied from one point toward the other using only the supply path 103.
  • Laminating a plurality of different materials means, for example, laminating an adhesion layer on copper (base material) and then laminating iron. Further, by supplying powders having the same material but different particle diameters using different supply paths, it is possible to perform modeling with accuracy and speed according to the modeling conditions.
  • the optical processing apparatus 400 provided with the processing nozzle 100 will be described with reference to FIG.
  • the optical processing apparatus 400 is an apparatus that generates a three-dimensional shaped object (or overlay welding) by melting a material with heat generated by collected light.
  • the optical processing apparatus 400 includes a light source 412, a stage 405, material storage devices 421 to 423, material supply units 424 to 426, a processing head 408, and a control unit 413.
  • a laser light source is used as the light source 412, but an LED, a halogen lamp, or a xenon lamp can be used. Further, for example, an electron beam may be used.
  • Stage 405 is an X stage, an XY stage, or an XYZ stage.
  • the material storage devices 421 to 423 supply a carrier gas containing a material to the processing nozzle 100 via the material supply units 424 to 426.
  • the material is particles such as metal particles and resin particles.
  • the carrier gas is an inert gas, and for example, argon gas, nitrogen gas, helium gas, or the like can be used.
  • the processing head 408 focuses the laser light from the light source 412 by an optical system including a lens or the like provided therein, and a processing nozzle 100 is attached to the downstream end thereof.
  • the controller 413 inputs modeling conditions such as fine writing / bold writing and the shape of the modeled object, and according to the input modeling conditions, the output value of the laser beam from the light source 412, the position and orientation of the processing head 408, the stage 405 While changing a position etc., the processing nozzle 100 is controlled and a powder spot shape is changed.
  • the controller 413 controls the material supply units 424 to 426 to control the type and amount of material injected from the nozzle 100.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the machining nozzle 500 according to the present embodiment.
  • the processing nozzle 500 according to the present embodiment is different from the first embodiment in that it has flappers 501 and 502. Since other configurations and operations are the same as those of the first embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the flow of the powder material discharged from the supply paths 121 and 122 can be changed by the flappers 501 and 502. That is, the powder material discharged from the supply path 121 can be supplied to the powder spot 511, and the powder material discharged from the supply path 122 can be supplied to the powder spot 512.
  • each of the powder spots 511 and 512 has a lower temperature than the molten pool 151 of the processing surface 150. It has become.
  • the flappers 501 and 502 are controlled so that the respective powder materials are supplied to the powder spots 511 and 512 that match the melting temperature of each powder material.
  • FIG. 6 is a perspective view for explaining the configuration of the machining nozzle 600 according to the present embodiment.
  • the processing nozzle 600 according to the present embodiment is different from the first embodiment in that it includes a rotation unit 602 that rotates the outer casing 102 in the rotation direction 601 with respect to the inner casing 101. Since other configurations and operations are the same as those of the first embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the outer casing 102 can be rotated in accordance with the direction (scanning direction) 651 in which the molten pool 151 travels on the processing surface 150. That is, the arrangement of the supply paths 121 and 122 provided in the outer casing 102 with respect to the molten pool 151 can be changed according to the scanning direction 651. For example, when it is desired to supply a large amount of powder material in the scanning direction 651 of the molten pool 151, the outer casing 102 may be rotated 180 degrees from the state shown in FIG. That is, if two of the three supply passages 121 are arranged in front of the molten pool 151, the amount of powder material supplied to the front increases compared to the rear. Further, for example, when it is desired to supply a large amount of powder material to be supplied using the supply path 122 to the rear of the molten pool 151 in the scanning direction 651, the outer casing 102 is rotated 180 degrees from the state of FIG. Good.

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Abstract

複数種類の粉体を同時に射出する加工ノズルを提供する加工ノズルが開示されている。この加工ノズルは、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、レーザ光が通過する光経路を構成する内側筐体と、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、外側筐体内部に、粉体の第２供給路と、第２供給路と異なる径を有する第３供給路とを備えた。

Description

加工ノズル、加工ヘッド、加工装置
　本発明は、加工ノズル、加工ヘッド、加工装置に関する。
　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。
特開２０１２－１２５７７２号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。 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。 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。 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。 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。 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。
　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。
　［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　［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。
　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。
　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。
　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。
　［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。
　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。
　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。
　［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。

Claims (6)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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