JP2002069507A - 金属物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装置 - Google Patents
金属物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装置Info
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- JP2002069507A JP2002069507A JP2000266043A JP2000266043A JP2002069507A JP 2002069507 A JP2002069507 A JP 2002069507A JP 2000266043 A JP2000266043 A JP 2000266043A JP 2000266043 A JP2000266043 A JP 2000266043A JP 2002069507 A JP2002069507 A JP 2002069507A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明の目的は、レーザ光を用いて直接金属物
品を高精度に製造できる金属物品の製造方法及びその装
置並びにレーザ光集光装置を提供することにある。 【解決手段】本発明は、金属粉にレーザ光を照射し、前
記金属粉を溶融することにより金属層を形成する工程
と、前記金属層上に前記金属粉を載置してレーザ光によ
り溶融する工程を繰り返して所望の形状の金属物品を形
成する際、前記レーザ光を前記金属粉を溶融する高エネ
ルギーレーザ光とその周辺に設けられた低エネルギーレ
ーザ光とに分割して照射すること、その光学系を有する
金属物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装
置にある。
品を高精度に製造できる金属物品の製造方法及びその装
置並びにレーザ光集光装置を提供することにある。 【解決手段】本発明は、金属粉にレーザ光を照射し、前
記金属粉を溶融することにより金属層を形成する工程
と、前記金属層上に前記金属粉を載置してレーザ光によ
り溶融する工程を繰り返して所望の形状の金属物品を形
成する際、前記レーザ光を前記金属粉を溶融する高エネ
ルギーレーザ光とその周辺に設けられた低エネルギーレ
ーザ光とに分割して照射すること、その光学系を有する
金属物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装
置にある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光の照射に
より三次元形状の物品を金属粉から造形する新規な金属
物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装置に
関する。
より三次元形状の物品を金属粉から造形する新規な金属
物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、レーザを用いた金属部材溶接で
は、溶接精度、溶接強度を向上するべく溶接前後に行う
予熱あるいは後熱処理をレーザ光を用いて行うことが知
られている（特開昭61-92792号公報）。レーザビームを
集光し、金属等の加工対象物に照射し、加工対象物とレ
ーザビームを相対的に移動させることで溶接等の加工を
行うことができるが、レーザビームの集光径が小さいほ
ど加工対象物に過大の局所的加熱が生じ、被加工物に歪
み等の変形をおよぼすことがある。それを防止すること
を目的に、予め加工部周辺を加熱しておき加工部とその
周辺部との温度差を小さくしておくことが予熱工程にな
る。また、レーザビームを照射して加工した後では、加
工部以外の周辺温度が低い場合、加工部温度はそれに影
響されて低下し、溶融した金属が急激に収縮固化する。
その結果、加工対象物に歪みがおこり残留応力が発生す
る。最悪の場合には歪み等によりひび割れを起こすこと
もある。このような歪み等を開放するためには、加工部
の急激な冷却を防止するために補助加熱をしてゆるやか
な温度低下にすることが必要である。この作業が後熱の
工程である。
は、溶接精度、溶接強度を向上するべく溶接前後に行う
予熱あるいは後熱処理をレーザ光を用いて行うことが知
られている（特開昭61-92792号公報）。レーザビームを
集光し、金属等の加工対象物に照射し、加工対象物とレ
ーザビームを相対的に移動させることで溶接等の加工を
行うことができるが、レーザビームの集光径が小さいほ
ど加工対象物に過大の局所的加熱が生じ、被加工物に歪
み等の変形をおよぼすことがある。それを防止すること
を目的に、予め加工部周辺を加熱しておき加工部とその
周辺部との温度差を小さくしておくことが予熱工程にな
る。また、レーザビームを照射して加工した後では、加
工部以外の周辺温度が低い場合、加工部温度はそれに影
響されて低下し、溶融した金属が急激に収縮固化する。
その結果、加工対象物に歪みがおこり残留応力が発生す
る。最悪の場合には歪み等によりひび割れを起こすこと
もある。このような歪み等を開放するためには、加工部
の急激な冷却を防止するために補助加熱をしてゆるやか
な温度低下にすることが必要である。この作業が後熱の
工程である。
【０００３】このような予熱→溶接→後熱の工程をレー
ザ集光用レンズの光軸位置を変えることで溶接部材表面
での焦点位置を変化させて照射することにより行うよう
にしたものがある（特開平6-304772号公報）。これら
は、一つのレーザ光で予熱→溶接→後熱の工程を行うと
言う意味では大変意義があるが、溶接を行う周囲全体を
溶接工程と同時に予熱及び後熱工程を行うことについて
は考慮されていなかった。又、金属粉の溶着及び溶融技
術に関する考慮がされていなかった。
ザ集光用レンズの光軸位置を変えることで溶接部材表面
での焦点位置を変化させて照射することにより行うよう
にしたものがある（特開平6-304772号公報）。これら
は、一つのレーザ光で予熱→溶接→後熱の工程を行うと
言う意味では大変意義があるが、溶接を行う周囲全体を
溶接工程と同時に予熱及び後熱工程を行うことについて
は考慮されていなかった。又、金属粉の溶着及び溶融技
術に関する考慮がされていなかった。
【０００４】特開昭62-40991号公報には、レーザ溶接に
おいて、溶接する部分とその周囲の低エネルギー領域と
に分けて照射する方法が示されている。
おいて、溶接する部分とその周囲の低エネルギー領域と
に分けて照射する方法が示されている。
【０００５】特開平８―２８１８０７号公報には、レー
ザ光の照射によって金属粉末から３次元物体を製造する
方法及び装置が示されている。
ザ光の照射によって金属粉末から３次元物体を製造する
方法及び装置が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、いずれの公報
においても、特定のレーザ光を用いた金属物品の製法に
ついては示されていないし、そのための特定のレーザ光
集光装置についても示されていない。
においても、特定のレーザ光を用いた金属物品の製法に
ついては示されていないし、そのための特定のレーザ光
集光装置についても示されていない。
【０００７】本発明の目的は、レーザ光を用いて予熱、
（溶着．溶融）、後熱を同時に行うことが出来ることに
より直接金属物品を高精度に製造できる金属物品の製造
方法及びその装置並びにレーザ光集光装置を提供するこ
とにある。
（溶着．溶融）、後熱を同時に行うことが出来ることに
より直接金属物品を高精度に製造できる金属物品の製造
方法及びその装置並びにレーザ光集光装置を提供するこ
とにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属粉にレー
ザ光を照射し、前記金属粉を溶融することにより金属層
を形成する工程と、前記金属層上に前記金属粉を載置し
てレーザ光により溶融する工程を繰り返して所望の形状
の金属物品を形成する金属物品の製造方法において、前
記レーザ光を前記金属粉に対し予熱する低エネルギーレ
ーザ光と前記予熱した前記金属粉に対し溶融する高エネ
ルギーレーザ光とに分割して照射するようにしたこと、
又、前記レーザ光を前記金属粉に対し溶融する高エネル
ギーレーザ光と該高エネルギーレーザ光の外周に同心円
状に配置した低エネルギーレーザ光とに分割して照射す
るようにしたことを特徴とする金属物品の製造方法にあ
る。
ザ光を照射し、前記金属粉を溶融することにより金属層
を形成する工程と、前記金属層上に前記金属粉を載置し
てレーザ光により溶融する工程を繰り返して所望の形状
の金属物品を形成する金属物品の製造方法において、前
記レーザ光を前記金属粉に対し予熱する低エネルギーレ
ーザ光と前記予熱した前記金属粉に対し溶融する高エネ
ルギーレーザ光とに分割して照射するようにしたこと、
又、前記レーザ光を前記金属粉に対し溶融する高エネル
ギーレーザ光と該高エネルギーレーザ光の外周に同心円
状に配置した低エネルギーレーザ光とに分割して照射す
るようにしたことを特徴とする金属物品の製造方法にあ
る。
【０００９】特に、照射面において、前記低エネルギー
レーザ光を該高エネルギーレーザ光の外周全周に同心円
状にリング状又は複数の円をリング状に配置し、中心部
で最も高く、該中心部の外周に段階的に形成されたエネ
ルギー強度を有すること、又、照射面において、前記低
エネルギーレーザ光を該高エネルギーレーザ光の外周全
周に同心円状にリング状又は複数の円をリング状に配置
したこと、又、照射面において２個以上の異なった焦点
距離にして前記照射することが好ましい。
レーザ光を該高エネルギーレーザ光の外周全周に同心円
状にリング状又は複数の円をリング状に配置し、中心部
で最も高く、該中心部の外周に段階的に形成されたエネ
ルギー強度を有すること、又、照射面において、前記低
エネルギーレーザ光を該高エネルギーレーザ光の外周全
周に同心円状にリング状又は複数の円をリング状に配置
したこと、又、照射面において２個以上の異なった焦点
距離にして前記照射することが好ましい。
【００１０】本発明は、金属粉を所望の厚さに堆積させ
る金属粉の堆積手段と、前記金属粉にレーザ光を照射
し、前記金属粉を溶融させるレーザ光照射手段と、前記
レーザ光の照射によって形成された金属層の上に所望の
厚さの前記金属粉を前記堆積手段により堆積させ前記金
属粉を前記レーザ光によって溶融させるる工程を繰り返
す制御手段とを有す金属物品の製造装置であって、前記
レーザ光照射手段は前記金属粉を予熱する低エネルギー
レーザ光と前記予熱した前記金属粉を溶融する高エネル
ギーレーザ光とに分割して照射する光学系を有するこ
と、又、前記レーザ光照射手段は前記金属粉を溶融する
高エネルギーレーザ光とその外周の全周にリング状又は
前記外周の全周複数の円をリング状に配置した低エネル
ギーレーザ光とに分割して照射する光学系を有すること
を特徴とする金属物品の製造装置にある。
る金属粉の堆積手段と、前記金属粉にレーザ光を照射
し、前記金属粉を溶融させるレーザ光照射手段と、前記
レーザ光の照射によって形成された金属層の上に所望の
厚さの前記金属粉を前記堆積手段により堆積させ前記金
属粉を前記レーザ光によって溶融させるる工程を繰り返
す制御手段とを有す金属物品の製造装置であって、前記
レーザ光照射手段は前記金属粉を予熱する低エネルギー
レーザ光と前記予熱した前記金属粉を溶融する高エネル
ギーレーザ光とに分割して照射する光学系を有するこ
と、又、前記レーザ光照射手段は前記金属粉を溶融する
高エネルギーレーザ光とその外周の全周にリング状又は
前記外周の全周複数の円をリング状に配置した低エネル
ギーレーザ光とに分割して照射する光学系を有すること
を特徴とする金属物品の製造装置にある。
【００１１】特に、前記レーザ光照射手段は照射面にお
いて２つのレーザ光を同心円状に重ね合わせて金属粉に
照射する光学系を有すること、又、前記レーザ光照射手
段は２個以上の焦点距離の違うレンズを同心円状に配置
又は重ね合わせて配置したレーザ光分割光学系からなる
ことが好ましい。
いて２つのレーザ光を同心円状に重ね合わせて金属粉に
照射する光学系を有すること、又、前記レーザ光照射手
段は２個以上の焦点距離の違うレンズを同心円状に配置
又は重ね合わせて配置したレーザ光分割光学系からなる
ことが好ましい。
【００１２】更に、本発明は、高エネルギーレーザ光と
その外周の全周に同心円状にリング状又は前記外周の全
周に同心円状に複数の円をリング状に配置した低エネル
ギーレーザ光とに分割して照射する光学系を有するこ
と、又、直径の異なる２つのレンズを同心円状に重ねる
ことにより、照射面において中心部で最もエネルギーが
高く、その外周に同心円状に前記中心部よりも段階的に
エネルギーの低いレーザ光を形成する光学系を有するこ
と、又、２個以上の焦点距離の違うレンズを同心円状に
配置又は重ね合わせて配置した光学系を有することを特
徴とするレーザ光集光装置にある。
その外周の全周に同心円状にリング状又は前記外周の全
周に同心円状に複数の円をリング状に配置した低エネル
ギーレーザ光とに分割して照射する光学系を有するこ
と、又、直径の異なる２つのレンズを同心円状に重ねる
ことにより、照射面において中心部で最もエネルギーが
高く、その外周に同心円状に前記中心部よりも段階的に
エネルギーの低いレーザ光を形成する光学系を有するこ
と、又、２個以上の焦点距離の違うレンズを同心円状に
配置又は重ね合わせて配置した光学系を有することを特
徴とするレーザ光集光装置にある。
【００１３】以上のように、本発明は、光伝送系から出
射したレーザ光を同軸上で分割する分割光学系もしくは
焦点距離が一様でない非球面レンズを有し、レーザ光を
用いて予熱、（溶着・溶融）、後熱を同時に行うことで
高精度、高強度の金属物品の製造を可能とするものであ
る。
射したレーザ光を同軸上で分割する分割光学系もしくは
焦点距離が一様でない非球面レンズを有し、レーザ光を
用いて予熱、（溶着・溶融）、後熱を同時に行うことで
高精度、高強度の金属物品の製造を可能とするものであ
る。
【００１４】又、本発明はＲＰ（ラピッドプロトタイピ
ング）造型に関するものであり、金属での三次元造型物
の製作精度を高めることを目的とし、金属粉より三次元
の造型物を造る際に、熱源であるレーザによって造型物
が熱歪みを起こし変形量が大きくなる等の問題を解決す
るものである。
ング）造型に関するものであり、金属での三次元造型物
の製作精度を高めることを目的とし、金属粉より三次元
の造型物を造る際に、熱源であるレーザによって造型物
が熱歪みを起こし変形量が大きくなる等の問題を解決す
るものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例による
三次元金属物品の製造装置の構成を示す断面図である。
レーザ装置１から出たレーザ光は光ファイバ２中を伝送
され、光ファイバ先端から図中下方に出射される。又、
光ファイバ先端部はＸ―Ｙテーブル14,15に固定されて
いる。光ファイバ先端から出射されたレーザ光はレーザ
光分割光学系５によって二つのレーザ光に分割され、そ
の一つである高エネルギーレーザ光７aは金属13の表面
で概略焦点を結ぶ。他方のレーザ光７bは金属粉13の表
面より上部で焦点を結ぶように高エネルギー光の外周の
全周に配置された低エネルギー光によって構成され、溶
融前後の予熱及び後熱を行うことができるものである。
金属粉13のレーザ光照射部への金属粉１３の供給はロー
ラ8の往復動作によって行われ、左右のケース４の中に
納められた金属粉13を金属粉供給ピストン12を押し上
げ、ローラ8を回転させながらレーザ光照射領域方向に
移動させることで厚さ0.1mm程度の金属粉の層を形成す
る。この供給された金属粉の層に選択的にレーザ光を照
射して、そのレーザ光が照射された部分のみの金属粉を
溶融または溶着させる。次に、パーツピストン9を図面
下方に下げ、金属粉供給ピストン11を押し上げてローラ
8を回転させながらレーザ光照射領域方向に移動させる
ことで再度厚さ0.1mm程度の金属粉の層を形成する。こ
の一連の動作を繰り返すことで、３次元の立体の金属物
品が得られる。
三次元金属物品の製造装置の構成を示す断面図である。
レーザ装置１から出たレーザ光は光ファイバ２中を伝送
され、光ファイバ先端から図中下方に出射される。又、
光ファイバ先端部はＸ―Ｙテーブル14,15に固定されて
いる。光ファイバ先端から出射されたレーザ光はレーザ
光分割光学系５によって二つのレーザ光に分割され、そ
の一つである高エネルギーレーザ光７aは金属13の表面
で概略焦点を結ぶ。他方のレーザ光７bは金属粉13の表
面より上部で焦点を結ぶように高エネルギー光の外周の
全周に配置された低エネルギー光によって構成され、溶
融前後の予熱及び後熱を行うことができるものである。
金属粉13のレーザ光照射部への金属粉１３の供給はロー
ラ8の往復動作によって行われ、左右のケース４の中に
納められた金属粉13を金属粉供給ピストン12を押し上
げ、ローラ8を回転させながらレーザ光照射領域方向に
移動させることで厚さ0.1mm程度の金属粉の層を形成す
る。この供給された金属粉の層に選択的にレーザ光を照
射して、そのレーザ光が照射された部分のみの金属粉を
溶融または溶着させる。次に、パーツピストン9を図面
下方に下げ、金属粉供給ピストン11を押し上げてローラ
8を回転させながらレーザ光照射領域方向に移動させる
ことで再度厚さ0.1mm程度の金属粉の層を形成する。こ
の一連の動作を繰り返すことで、３次元の立体の金属物
品が得られる。
【００１６】図２は図１に示す本発明のレーザ光分割光
学系５の詳細を示すレーザ光集光装置の断面図である。
光ファイバー２の端部はアダプター16を介してホルダー
100に取り付けられている。レーザ光１７は高いエネル
ギーレーザ光を形成する凸レンズ１８とその外周に配置
された低エネルギーレーザ光を形成する環状レンズ１９
からなるものである。
学系５の詳細を示すレーザ光集光装置の断面図である。
光ファイバー２の端部はアダプター16を介してホルダー
100に取り付けられている。レーザ光１７は高いエネル
ギーレーザ光を形成する凸レンズ１８とその外周に配置
された低エネルギーレーザ光を形成する環状レンズ１９
からなるものである。
【００１７】図３は図２の上部から金属粉13の表面を見
た場合の平面図である。又、レンズ18、19もホルダー10
1を介してホルダー100に取り付けられている。
た場合の平面図である。又、レンズ18、19もホルダー10
1を介してホルダー100に取り付けられている。
【００１８】図４は、図２のレンズ18、19の構成を平面
図（図4a）、断面図（図4b）に示したものである。レン
ズ18は通常凸レンズであり、レンズ19は環状になつてお
り、断面は通常の凸レンズとなっている。これら２個の
レンズが同心円状に配置されている。光ファイバー２か
ら出たレーザ光17はレーザ光及び光ファイバーの特性に
よって決まる広がり角でレンズ系に入射する。レンズ18
部に入射したレーザ光束は広がり角とレンズ18の焦点距
離で決まる焦点位置である金属粉13の表面に集束され
る。一方、環状レンズ19部に入射したレーザ光束は上記
と同様に広がり角とレンズ19の焦点距離で決まる位置に
環状に集束される。今、レンズ19の焦点距離をレンズ18
の焦点距離より短く構成したとすると、その焦点位置は
金属粉13の表面より上部に位置することになり、金属粉
13の表面には焦点を通過した後の環状に広がったレーザ
光7bが金属粉13の表面の破線20で示した部分に照射され
ることなる。この様な状態で図３に示したレーザビーム
7a、7bが矢印200の方向に移動させることで選択的造型
を行う。
図（図4a）、断面図（図4b）に示したものである。レン
ズ18は通常凸レンズであり、レンズ19は環状になつてお
り、断面は通常の凸レンズとなっている。これら２個の
レンズが同心円状に配置されている。光ファイバー２か
ら出たレーザ光17はレーザ光及び光ファイバーの特性に
よって決まる広がり角でレンズ系に入射する。レンズ18
部に入射したレーザ光束は広がり角とレンズ18の焦点距
離で決まる焦点位置である金属粉13の表面に集束され
る。一方、環状レンズ19部に入射したレーザ光束は上記
と同様に広がり角とレンズ19の焦点距離で決まる位置に
環状に集束される。今、レンズ19の焦点距離をレンズ18
の焦点距離より短く構成したとすると、その焦点位置は
金属粉13の表面より上部に位置することになり、金属粉
13の表面には焦点を通過した後の環状に広がったレーザ
光7bが金属粉13の表面の破線20で示した部分に照射され
ることなる。この様な状態で図３に示したレーザビーム
7a、7bが矢印200の方向に移動させることで選択的造型
を行う。
【００１９】図５は、図２〜４におけるものと同様に、
このときの金属粉表面におけるレーザ光の強度分布を示
す。凸レンズ18で集束された高エネルギーレーザ光7aの
強度分布を20aで示し、金属粉の溶融を行うものであ
り、その周辺には環状凸レンズを通過した低エネルギー
レーザ光7bの強度分布を20bで示し、溶融前後の金属層
を予熱及び後熱を行うのに用いられる。本実施例によっ
て得られるエネルギー強度は中心部で最も高く、その外
周に段階的に形成された低エネルギーレーザ光を有し、
実際の金属粉表面におけるレーザ光強度分布はこれら20
a、20bの２個の強度分布を重ね合わせたものとなり、21
で示した強度分布となる。このような強度分布のレーザ
光で金属粉の溶融・溶着を行う場合、レーザ光の進行方
向に対して、まず強度の弱いレーザ光で予熱を行い、次
いで強度の強いところで溶融・溶着を行う。その後、そ
の周辺の強度の弱いレーザ光で後熱を行うことになる。
このときの金属粉表面におけるレーザ光の強度分布を示
す。凸レンズ18で集束された高エネルギーレーザ光7aの
強度分布を20aで示し、金属粉の溶融を行うものであ
り、その周辺には環状凸レンズを通過した低エネルギー
レーザ光7bの強度分布を20bで示し、溶融前後の金属層
を予熱及び後熱を行うのに用いられる。本実施例によっ
て得られるエネルギー強度は中心部で最も高く、その外
周に段階的に形成された低エネルギーレーザ光を有し、
実際の金属粉表面におけるレーザ光強度分布はこれら20
a、20bの２個の強度分布を重ね合わせたものとなり、21
で示した強度分布となる。このような強度分布のレーザ
光で金属粉の溶融・溶着を行う場合、レーザ光の進行方
向に対して、まず強度の弱いレーザ光で予熱を行い、次
いで強度の強いところで溶融・溶着を行う。その後、そ
の周辺の強度の弱いレーザ光で後熱を行うことになる。
【００２０】この様に1つのレーザビームを２つに分割
し、さらに重ね合わせて金属粉に照射することで予熱→
溶融・溶着→後熱の一連の造型処理が可能となることか
ら、造型時間を短縮させる効果がある。
し、さらに重ね合わせて金属粉に照射することで予熱→
溶融・溶着→後熱の一連の造型処理が可能となることか
ら、造型時間を短縮させる効果がある。
【００２１】図６は、他の実施例を示すレンズの平面図
である。この実施例は図２、図３、図4a、図4bで説明し
た前記実施例のレンズホルダー101部分のみを示してお
り、環状レンズ19に換えて通常のレンズ19aをレンズ18
の外周上の全周に複数個配置した構成になっており、図
５と同様のエネルギー分布が得られる。そのため、環状
レンズ19を使用すること無く前記実施例と同等の効果を
あげることができることから、製造容易なレンズを用い
る方法でも目的を達成できる。
である。この実施例は図２、図３、図4a、図4bで説明し
た前記実施例のレンズホルダー101部分のみを示してお
り、環状レンズ19に換えて通常のレンズ19aをレンズ18
の外周上の全周に複数個配置した構成になっており、図
５と同様のエネルギー分布が得られる。そのため、環状
レンズ19を使用すること無く前記実施例と同等の効果を
あげることができることから、製造容易なレンズを用い
る方法でも目的を達成できる。
【００２２】図７は他の実施例を示すレンズの断面図で
ある。この実施例は直径の大きさが違い、一方の面が平
らな凸レンズ22と23を張り合わせて配置した構成になっ
ている。レーザ光17がこの組み合わせレンズに入射する
と２枚のレンズが重ね合わせられた部分は２枚のレンズ
のそれぞれの焦点距離が結合された焦点距離をもつこと
になる。また、２枚のレンズが重ね合わせられていない
部分は、大きいレンズの焦点距離をもっている。このよ
うに構成されたレンズ系にレーザ光17が入射するとレン
ズ22とレンズ23が重ね合わされた部分に入射したレーザ
光束24は広がり角とレンズ22とレンズ23で結合された焦
点距離で決まる焦点位置である金属粉13の表面に集束さ
れる。一方、レンズ22とレンズ23が重ね合わせられてい
ない部分に入射したレーザ光束25は上記と同様に広がり
角とレンズ23の焦点距離で決まる位置に環状に集束され
る。今、レンズ23の焦点距離をレンズ22とレンズ23で結
合された焦点距離より長く構成したとすると、その焦点
位置は金属粉13の表面より下部に位置することになり、
金属粉13の表面には焦点を通過する前の環状に広がった
レーザ光25が照射されることなる。
ある。この実施例は直径の大きさが違い、一方の面が平
らな凸レンズ22と23を張り合わせて配置した構成になっ
ている。レーザ光17がこの組み合わせレンズに入射する
と２枚のレンズが重ね合わせられた部分は２枚のレンズ
のそれぞれの焦点距離が結合された焦点距離をもつこと
になる。また、２枚のレンズが重ね合わせられていない
部分は、大きいレンズの焦点距離をもっている。このよ
うに構成されたレンズ系にレーザ光17が入射するとレン
ズ22とレンズ23が重ね合わされた部分に入射したレーザ
光束24は広がり角とレンズ22とレンズ23で結合された焦
点距離で決まる焦点位置である金属粉13の表面に集束さ
れる。一方、レンズ22とレンズ23が重ね合わせられてい
ない部分に入射したレーザ光束25は上記と同様に広がり
角とレンズ23の焦点距離で決まる位置に環状に集束され
る。今、レンズ23の焦点距離をレンズ22とレンズ23で結
合された焦点距離より長く構成したとすると、その焦点
位置は金属粉13の表面より下部に位置することになり、
金属粉13の表面には焦点を通過する前の環状に広がった
レーザ光25が照射されることなる。
【００２３】図８は、図７のレンズ構成によって得られ
るときの金属粉表面におけるレーザ光の強度分布を示す
線図である。組み合わせレンズで集束された最も高い強
度分布を24aで示し、レンズ23のみを通過したそれより
低く、段階的な強度を有するレーザ光の強度分布を25a
で示した。このような強度分布のレーザ光で金属粉の溶
融・溶着を行う場合、レーザ光の進行方向に対して、ま
ず強度の弱いレーザ光で予熱を行い、ついで強度の強い
ところで溶融・溶着を行う。その後、強度の弱いレーザ
光で後熱を行うことになる。この実施例によれば単純な
２枚の凸レンズを使用するだけで、二つの焦点距離の違
うレンズを構成することができることから、より簡便な
方法で予熱、溶融、後熱を行うことができる効果があ
る。
るときの金属粉表面におけるレーザ光の強度分布を示す
線図である。組み合わせレンズで集束された最も高い強
度分布を24aで示し、レンズ23のみを通過したそれより
低く、段階的な強度を有するレーザ光の強度分布を25a
で示した。このような強度分布のレーザ光で金属粉の溶
融・溶着を行う場合、レーザ光の進行方向に対して、ま
ず強度の弱いレーザ光で予熱を行い、ついで強度の強い
ところで溶融・溶着を行う。その後、強度の弱いレーザ
光で後熱を行うことになる。この実施例によれば単純な
２枚の凸レンズを使用するだけで、二つの焦点距離の違
うレンズを構成することができることから、より簡便な
方法で予熱、溶融、後熱を行うことができる効果があ
る。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、レーザ光を用いて直接
金属物品を高精度に製造できる。更に、レーザ分割光学
系内に焦点距離の違うレンズを２個設置するか又は焦点
距離が不定のレンズを設置するだけで、金属粉を溶融や
溶着する際の予熱及び後熱を同時に行うことができる。
このことから、構造が簡単な装置によって、高品質に金
属粉を溶融や溶着することができる等の効果が得られ
る。
金属物品を高精度に製造できる。更に、レーザ分割光学
系内に焦点距離の違うレンズを２個設置するか又は焦点
距離が不定のレンズを設置するだけで、金属粉を溶融や
溶着する際の予熱及び後熱を同時に行うことができる。
このことから、構造が簡単な装置によって、高品質に金
属粉を溶融や溶着することができる等の効果が得られ
る。
【図１】本発明の金属物品の製造装置を示す断面図。
【図２】本発明のレーザ光集光装置の構成図。
【図３】図２を上部から見た平面図。
【図4】本発明の凸レンズと環状レンズとの組み合わせ
の平面図と断面図。
の平面図と断面図。
【図５】図４のレンズによる照射レーザ強度分布を示す
線図。
線図。
【図６】本発明のレンズ光学系の平面図。
【図７】本発明のレンズ光学系の平面図。
【図８】図７のレンズによる照射レーザ強度分布を示す
線図。
線図。
１…レーザ装置、５…レーザ分割光学系、７ａ、２４…
高エネルギーレーザ光、７ｂ、２５…低エネルギーレー
ザ光、18、19a、22、23…凸レンズ、19…環状レンズ。
高エネルギーレーザ光、７ｂ、２５…低エネルギーレー
ザ光、18、19a、22、23…凸レンズ、19…環状レンズ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 定岡 紀行 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 高木 太郎 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 Ｆターム(参考） 4E068 AJ03 BA02 BB00 CD01 CD05 CD14 4K018 CA44 EA51 EA60 JA05 JA07 JA09
Claims (12)
- 【請求項１】金属粉にレーザ光を照射し、前記金属粉を
溶融することにより金属層を形成する工程と、前記金属
層上に前記金属粉を載置してレーザ光により溶融する工
程を繰り返して所望の形状の金属物品を形成する金属物
品の製造方法において、前記レーザ光を前記金属粉に対
し予熱する低エネルギーレーザ光と前記予熱した前記金
属粉に対し溶融する高エネルギーレーザ光とに分割して
照射するようにしたことを特徴とする金属物品の製造方
法。 - 【請求項２】金属粉にレーザ光を照射し、前記金属粉を
溶融することにより金属層を形成する工程と、前記金属
層上に前記金属粉を載置してレーザ光により溶融する工
程を繰り返して所望の形状の金属物品を形成する金属物
品の製造方法において、前記レーザ光を前記金属粉に対
し溶融する高エネルギーレーザ光と該高エネルギーレー
ザ光の外周に同心円状に配置した低エネルギーレーザ光
とに分割して照射するようにしたことを特徴とする金属
物品の製造方法。 - 【請求項３】照射面において、前記低エネルギーレーザ
光を該高エネルギーレーザ光の外周全周に同心円状にリ
ング状又は複数の円をリング状に配置し、中心部で最も
高く、該中心部の外周に段階的に形成されたエネルギー
強度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の
金属物品の製造方法。 - 【請求項４】照射面において、前記低エネルギーレーザ
光を該高エネルギーレーザ光の外周全周に同心円状にリ
ング状又は複数の円をリング状に配置したことを特徴と
する請求項１〜３のいずれかに記載の金属物品の製造方
法。 - 【請求項５】照射面において２個以上の異なった焦点距
離にして前記照射することを特徴とする請求項１〜４の
いずれかに記載の金属物品の製造方法。 - 【請求項６】金属粉を所望の厚さに堆積させる金属粉の
堆積手段と、前記金属粉にレーザ光を照射し、前記金属
粉を溶融させるレーザ光照射手段と、前記レーザ光の照
射によって形成された金属層の上に所望の厚さの前記金
属粉を前記堆積手段により堆積させ前記金属粉を前記レ
ーザ光によって溶融させるる工程を繰り返す制御手段と
を有す金属物品の製造装置であって、前記レーザ光照射
手段は前記金属粉を予熱する低エネルギーレーザ光と前
記予熱した前記金属粉を溶融する高エネルギーレーザ光
とに分割して照射する光学系を有することを特徴とする
金属物品の製造装置。 - 【請求項７】金属粉を所望の厚さに形成する金属粉の堆
積手段と、前記金属粉にレーザ光を照射し、前記金属粉
を溶融させるレーザ光照射手段と、前記レーザ光の照射
によって形成された金属層の上に所望の厚さの前記金属
粉を堆積させる前記堆積手段により堆積させ前記金属粉
を前記レーザ光によって溶融させるる工程を繰り返す制
御手段とを有する金属物品の製造装置であって、前記レ
ーザ光照射手段は前記金属粉を溶融する高エネルギーレ
ーザ光とその外周の全周にリング状又は前記外周の全周
複数の円をリング状に配置した低エネルギーレーザ光と
に分割して照射する光学系を有することを特徴とする金
属物品の製造装置。 - 【請求項８】前記レーザ光照射手段は照射面において２
つのレーザ光を互いに同心円状に配置して金属粉に照射
する光学系を有することを特徴とする請求項６又は７に
記載の金属物品の製造装置。 - 【請求項９】前記レーザ光照射手段は、２個以上の焦点
距離の違うレンズを同心円状に配置又は重ね合わせて配
置した光学系からなることを特徴とする請求項６〜８の
いずれかに記載の金属物品の製造装置。 - 【請求項１０】高エネルギーレーザ光とその外周の全周
に同心円状にリング状又は前記外周の全周に同心円状に
複数の円をリング状に配置した低エネルギーレーザ光と
に分割して照射する光学系を有することを特徴とするレ
ーザ光集光装置。 - 【請求項１１】直径の異なる２つのレンズを同心円状に
重ねることにより、照射面において中心部で最もエネル
ギーが高く、その外周に同心円状に前記中心部よりも段
階的にエネルギーの低いレーザ光を形成する光学系を有
することを特徴とするレーザ光集光装置。 - 【請求項１２】２個以上の焦点距離の違うレンズを同心
円状に配置又は重ね合わせて配置した光学系を有するこ
とを特徴とするレーザ光集光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000266043A JP2002069507A (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 金属物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000266043A JP2002069507A (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 金属物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002069507A true JP2002069507A (ja) | 2002-03-08 |
Family
ID=18753211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000266043A Pending JP2002069507A (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 金属物品の製造方法及びその装置並びにレーザ光集光装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002069507A (ja) |
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-
2000
- 2000-09-01 JP JP2000266043A patent/JP2002069507A/ja active Pending
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