JP7512851B2 - 積層造形装置、および、線状部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形装置、および、線状部材の製造方法に関する。

従来から、原料を積層することで部材を製造する積層造形装置が知られている。積層造形装置を用いた部材の製造方法において、レーザ光を照射することで溶融させた原料を積層し、原料同士を接続させる場合がある。例えば、特許文献１には、コンデンサレンズを用いて複数のレーザ光を原料に集光することで原料を溶融し、線状部材を製造する技術が開示されている。非特許文献１には、落下する銅粉末に対して、銅において吸収率が高い青色レーザ光を照射することで、鉛直方向上方に延びる直線状の線状部材を製造する技術が開示されている。特許文献２には、断面が半円形状の２つのレーザ光を用いて部材を加工する技術が開示されている。

国際公開２０１７／１７０８９０号明細書 特開２０１９－６３８３７号公報

「純銅の粉末を用いて細線を形成する技術」、インターネット＜URL：http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/work/laser1905.pdf＞

しかしながら、上記先行技術によっても、積層造形装置において、レーザ光のエネルギを効率的に利用して三次元形状の線状部材を造形する技術については、なお、改善の余地があった。特許文献１に記載の技術では、複数の方向から照射されるレーザ光を集光点に集光することで、集光点を通過する原料を急速に加熱する。このため、複数のレーザ光を１か所に集光させる必要があり、光軸の調整に困難を伴う。レーザ光を１か所に集光できない場合、原料を加熱しきれず、原料が溶融しないおそれがある。原料が溶融しないと、原料同士を接続させることができないため、三次元形状の線状部材を製造することは困難である。非特許文献１に記載の技術で用いられる青色レーザ光は、出力が低いため、銅からなる線状部材を造形するためには、複数の青色レーザ光を集光点に集光させる必要がある。このため、複数の青色レーザ光を集光点に集光できない場合には銅が溶融しないおそれがあり、この場合、銅からなる三次元形状の線状部材を製造することは困難である。特許文献２に記載の技術では、断面が半円形状の２つのレーザ光は、加工される部材上に集光されており、部材の原料は、部材上のレーザ光の集光点に向けて供給される。このため、レーザ光の出力が低い場合、あるいは、部材のレーザ光に対する吸収率が低い場合、集光点において部材の原料が十分に加熱されないおそれがあり、部材を加工することは困難である。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、積層造形装置において、レーザ光のエネルギを効率的に利用して三次元形状の線状部材を造形することができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、積層造形装置が提供される。この積層造形装置は、レーザ光源から出射されたレーザ光を環形状に成形するとともに、成形した環形状のレーザ光を集光点に集光させる光学系と、前記環形状のレーザ光の内側から前記集光点に向けて原料を供給する原料供給部と、前記集光点を通過して加熱された原料が積層される台部と、前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更させる移動機構部と、を備え、前記集光点に向けて原料を供給しつつ前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更させることによって、前記台部に積層された原料の加工点に新たに積層される原料の積層方向を変化させて線状部材を造形する。

この構成によれば、光学系において、レーザ光源から出射されたレーザ光は、環形状に成形されたのち集光点に集光される。線状部材の原料は、環形状のレーザ光の内側から集光点に向けて供給されることで集光点を含む領域を通過し加熱され、台部に積層される。集光点を通り過ぎたレーザ光は、台部上に積層されていく原料をさらに加熱する。このとき、移動機構部によって集光点に対する台部の相対位置を変更させることで、台部に積層された原料の加工点での原料の積層方向を変化させて線状部材を造形する。このように、上記構成の積層造形装置では、レーザ光が進む方向において、集光点の先に、原料の加工点が位置しているため、環形状のレーザ光の内側から供給される原料は、集光点を含む領域と加工点とで加熱される。パワー密度が高い集光点を含む領域において、レーザ光によって原料が加熱されると、原料の温度が上昇し、原料のレーザ光に対する吸収率が増大する。このレーザ光に対する吸収率が増大した原料は、台部上に積層されていく原料の加工点において集光点を通り過ぎたレーザ光によってさらに加熱されるため、レーザ光源から出射されたレーザ光の出力が低い場合でも原料は溶融しやすくなり、線状部材を造形することができる。また、集光点に対する台部の相対位置を変更することによって原料の加工点に新たに積層される原料の積層方向を変化させることで、三次元形状の線状部材を造形することができる。さらに、原料は、環形状のレーザ光の内側から集光点に向けて供給されるため、レーザ光の外側から原料が供給される場合に比べ、環形状のレーザ光によって加熱されやすい。したがって、レーザ光のエネルギを効率的に利用して三次元形状の線状部材を造形することができる。

（２）上記形態の積層造形装置において、前記移動機構部は、前記レーザ光のうち前記集光点よりも先でデフォーカスされた部分が前記台部に積層された原料の前記加工点に照射されるように、前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更させてもよい。この構成によれば、加工点に照射される、デフォーカスで拡大した環形状のレーザ光によって、環形状のレーザ光の内側の台部の材料や積層された原料が溶融したメルトプールが形成される。このメルトプールの原料は比較的高温となっているため、レーザ光に対する吸収率が増大する。これにより、低出力のレーザ光であっても溶融している状態を維持することができるため、線状部材の先端のような比較的小さな領域においてもメルトプールを形成することができる。したがって、原料の溶融と凝固とによって積層される原料同士が比較的強固に接続されるため、線状部材を支持するサポート材がなくても、任意の三次元形状の線状部材を造形することができる。

（３）上記形態の積層造形装置において、前記原料供給部は、粉末状の原料を含む搬送ガスを前記集光点に向けて噴射してもよい。この構成によれば、集光点には、粉末状の原料を含む搬送ガスが噴射される。これにより、粉末状の原料は、集光点を含む領域を通りやすくなるため、加熱されやすくなる。また、搬送ガスの流量を変更することで、原料が、集光点を含む領域を通過する時間を調整することができる。これにより、レーザ光による原料の加熱の程度を調整することができるため、加工点における原料の状態を調整できる。したがって、造形される線状部材の形状の自由度を高めることができる。

（４）上記形態の積層造形装置において、前記レーザ光源から出射されるレーザ光は、赤外線レーザ光であり、前記集光点に向けて供給される原料は、銅と、銀と、金とのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。この構成によれば、材料加工用として一般的な赤外線レーザ光に対して吸収率の低い銅や、銀、金などの金属を原料に含む場合でも、原料は、集光点と加工点とのそれぞれにおいて加熱されるため、積層による線状部材の造形が可能となる。これにより、製造コストを低減しつつ、信頼性の高い三次元形状の線状部材を造形することができる。

（５）本発明の別の形態によれば、線状部材の製造方法が提供される。この線状部材の製造方法は、レーザ光源からレーザ光を出射させることによって、前記レーザ光を環形状に成形するとともに、成形した環形状のレーザ光を集光点に集光させるレーザ成形工程と、前記環形状のレーザ光の内側から、原料を前記集光点に向けて供給することで、前記集光点に集光されたレーザ光によって前記原料を加熱する加熱工程と、前記集光点を通過して加熱された原料を台部上に積層させる積層工程と、を備え、前記積層工程において、前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更することによって、前記台部に積層された原料の加工点に新たに積層される原料の積層方向を変化させて線状部材を造形する。この構成によれば、レーザ成形工程において、環形状に成形されたレーザ光を集光点に集光させる。加熱工程では、環形状のレーザ光の内側から、原料を集光点に向けて供給する。これにより、集光点を含む領域を通過する原料は、レーザ光によって加熱される。集光点で加熱された原料は、積層工程において、台部上に積層される。積層工程では、集光点に対する台部の相対位置を変更することで、台部に積層された原料の加工点に新たに積層される原料の積層方向を変化させて線状部材を造形する。これにより、原料は、集光点を含む領域と加工点とで加熱されるため、レーザ光源から出射されたレーザ光の出力が低い場合でも原料は溶融しやすくなり、線状部材を造形することができる。また、集光点に対する台部の相対位置を変更することによって原料の加工点に新たに積層される原料の積層方向を変化させることで、三次元形状の線状部材を造形することができる。さらに、原料は、環形状のレーザ光の内側から集光点に向けて供給されるため、環形状のレーザ光によって加熱されやすい。したがって、レーザ光のエネルギを効率的に利用して三次元形状の線状部材を造形することができる。

（６）上記形態の線状部材の製造方法において、前記積層工程において、前記レーザ光のうち前記集光点よりも先でデフォーカスされた部分が前記台部に積層された原料の前記加工点に照射されるように、前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更してもよい。この構成によれば、加工点に照射される、デフォーカスで拡大した環形状のレーザ光によって、環形状のレーザ光の内側の台部の材料や積層された原料が溶融しメルトプールが形成される。これにより、低出力のレーザ光であっても、線状部材の先端のような比較的小さな領域においてもメルトプールを形成することができるため、線状部材を支持するサポート材がなくても、任意の三次元形状の線状部材を造形することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、積層造形装置を含むシステム、これら装置およびシステムの制御方法、これら装置およびシステムにおいて線状部材の製造方法を実行させるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態の積層造形装置の概略構成を示す模式図である。 環形状のレーザ光を説明する模式図である。 線状部材の製造方法を説明するフローチャートである。 線状部材の製造方法を説明する第１の模式図である。 線状部材の製造時における加工点の拡大図である。 線状部材の製造方法を説明する第２の模式図である。 積層造形装置の作動を説明する第１の模式図である。 積層造形装置の作動を説明する第２の模式図である。 積層造形装置の作動を説明する第３の模式図である。 積層造形装置の作動を説明する第４の模式図である。 積層造形装置の作動を説明する第５の模式図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の積層造形装置１の概略構成を示す模式図である。図２は、環形状のレーザ光を説明する模式図である。積層造形装置１は、銅粉末を積層することで銅からなる線状部材３を造形する装置である。積層造形装置１は、直線形状の線状部材に限らず、螺旋状や円形状が連続的に重なったような比較的複雑な三次元形状の線状部材を造形することが可能である。積層造形装置１は、加工ヘッド２と、第１移動機構部３０と、台部４０と、第２移動機構部５０と、制御部６０と、を備える。なお、説明の便宜上、図１では、本実施形態の積層造形装置１において、鉛直方向をｚ軸方向とする。また、水平面上において、第２移動機構部５０から台部４０が延伸する方向をｘ軸方向とし、ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向とする。

加工ヘッド２は、積層造形装置１において、ｚ軸方向のプラス側に設けられている。加工ヘッド２は、光学系１０と、原料供給部２０と、を備える。本実施形態では、加工ヘッド２は、ｘ軸方向に移動可能である。

光学系１０は、レーザ光源１１と、アキシコンレンズ１２と、凸レンズ１３と、を備えており、加工ヘッド２において、ｚ軸方向のプラス側に設けられている。レーザ光源１１は、レーザ光を出射する光源であり、本実施形態では、波長１０７０ｎｍの赤外線レーザ光Ｌｚ１を発振するファイバーレーザ発振器である。アキシコンレンズ１２は、レーザ光源１１のｚ軸方向のマイナス側に設けられている。アキシコンレンズ１２は、レーザ光源１１から出射された、光軸Ａ１に垂直な断面形状が円形状の赤外線レーザ光Ｌｚ１から、断面形状が環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２を形成する（図１の断面形状Ｃｓ参照）。凸レンズ１３は、アキシコンレンズ１２のｚ軸方向のマイナス側に設けられており、アキシコンレンズ１２が成形した環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２を集光点Ｆ１に集光させる（図２参照）。なお、レーザ光源１１は、ファイバーレーザ発振器に限定されず、固体レーザや半導体レーザなどであってもよい。

原料供給部２０は、加工ヘッド２において、ｚ軸方向のマイナス側に配置されており、光学系１０から出射される環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側から、集光点Ｆ１に向けて、原料を供給する。原料供給部２０は、原料タンク２１と、ガスタンク２２と、噴射ノズル２３と、を有する。原料タンク２１は、積層されることで線状部材３となる粉末状の原料５を貯留するタンクであり、噴射ノズル２３に接続されている。本実施形態では、原料タンク２１には、銅粉末が貯留されている。ガスタンク２２は、原料５を搬送するためのガスが貯留されている。本実施形態では、ガスタンク２２には、例えば、アルゴンが貯留されている。噴射ノズル２３は、図２に示すように、原料タンク２１から供給される粉末状の原料５をガスタンク２２から供給される搬送ガスＧ１を用いて、集光点Ｆ１に向けて噴射する。本実施形態では、噴射ノズル２３の噴射口２３ａは、ｚ軸方向において、集光点Ｆ１の１０ｍｍ程度上方に配置されている。本実施形態では、搬送ガスＧ１の流量を変更することで、集光点Ｆ１を含む領域を通過する時間を調整することができる。

第１移動機構部３０は、加工ヘッド２に接続されている。第１移動機構部３０は、電気的に接続されている制御部６０の指令に応じて、加工ヘッド２をｘ軸に沿った方向に移動させることが可能である。これにより、積層造形装置１では、集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置を変更させることができる。

台部４０は、集光点Ｆ１に対してｚ軸のマイナス方向に配置されている金属製の板状部材である。本実施形態では、台部４０は、例えば、ＳＳ４００から形成されており、ｚ軸方向において、集光点Ｆ１から１～３ｍｍ下方に上面４１が位置するように配置されている。台部４０の上面４１には、集光点Ｆ１を通過して加熱された原料５が積層されることで、線状部材３が造形される。台部４０は、回転シャフト４０ａの回転軸Ａ２を回転中心として回転可能に設けられている。

第２移動機構部５０は、台部４０に接続されている。第２移動機構部５０は、電気的に接続されている制御部６０の指令に応じて、回転軸Ａ２を回転中心として台部４０を回転させることが可能である。これにより、積層造形装置１では、集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置を変更させることができる。

制御部６０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータである。制御部６０は、事前に入力されている、線状部材３の造形に関するコンピュータプログラムに基づいて、積層造形装置１の作動を制御する。具体的には、制御部６０は、光学系１０について、レーザ光源１１によるレーザ光の出射を制御する。また、制御部６０は、原料供給部２０について、粉末状の原料５の供給タイミングや供給量を制御するとともに、搬送ガスＧ１の供給タイミングや供給量を制御する。さらに、制御部６０は、第１移動機構部３０による加工ヘッド２のｘ軸方向への移動を制御するとともに、第２移動機構部５０による台部４０の回転を開始するタイミングや回転を停止するタイミング、回転速度などを制御する。制御部６０による制御の詳細な内容は、後述する。

次に、本実施形態の線状部材３の製造方法の詳細を説明する。本実施形態の線状部材３の製造方法は、銅からなる原料５を積層することで、直線形状を含む任意の三次元形状の線状部材３を製造する方法であって、積層造形装置１の操作者による線状部材３の造形の開始の指示によって実行可能である。

図３は、線状部材３の製造方法を説明するフローチャートである。線状部材３の製造方法では、最初に、レーザ光源１１から赤外線レーザ光Ｌｚ１を出射させることによって赤外線レーザ光Ｌｚ１を環形状に成形するとともに、成形した環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２を集光点Ｆ１に集光させる（ステップＳ１１：レーザ成形工程）。具体的には、光学系１０において、制御部６０からの指令に応じてレーザ光源１１から赤外線レーザ光を出射させる。レーザ光源１１が出射した赤外線レーザ光Ｌｚ１は、アキシコンレンズ１２を通過することで、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２となる（図１参照）。環形状に成形された赤外線レーザ光Ｌｚ２は、凸レンズ１３を通過することで集光点Ｆ１に集光される。集光点Ｆ１を通過した赤外線レーザ光Ｌｚ２は、台部４０の上面４１に照射される。このとき、上面４１に照射される赤外線レーザ光Ｌｚ２は、集光点Ｆ１を通り過ぎているため、デフォーカスの状態となっており、環形状となる（図２の断面形状Ｃｓ参照）。

次に、原料供給部２０を用いて原料５を集光点Ｆ１に向けて供給することで、集光点Ｆ１と集光点Ｆ１の周囲の領域（以下、「集光点Ｆ１を含む領域」という）において原料５を加熱する（ステップＳ１２：加熱工程）。加熱工程では、原料供給部２０は、制御部６０からの指令に応じて、粉末状の原料５をガスタンク２２から供給される搬送ガスＧ１で搬送させた形で、集光点Ｆ１に向けて噴射する。

図４は、線状部材３の製造方法を説明する第１の模式図である。図４（ａ）は、ｘ軸に沿った方向から見た積層造形装置１の一部を示しており、加熱工程を開始した直後の状態を示している。加熱工程を開始した直後では、集光点Ｆ１を通過した赤外線レーザ光Ｌｚ２が台部４０の上面４１に照射されているため、上面４１に、台部４０の材料（ＳＳ４００）が溶融したメルトプール（溶融池）４２が形成される。本実施形態では、メルトプール４２は、図４（ａ）に示すように、ｚ軸方向において、台部４０の回転軸Ａ２からずれた位置に形成される。加熱工程では、噴射ノズル２３が噴射する原料５は、集光点Ｆ１を含む領域を通過することで、集光された赤外線レーザ光Ｌｚ２によって加熱される。

集光点Ｆ１を含む領域を通過することで加熱された原料５は、台部４０の上面４１に積層される（ステップＳ１３：積層工程）。このとき、赤外線レーザ光Ｌｚ２で加熱された原料５は、台部４０のメルトプール４２上に積層される。ここで、赤外線レーザ光Ｌｚ２で加熱された原料５が積層される個所を加工点Ｐ１とする（図４参照）。加熱工程において原料５が次々に供給されると、積層工程において、集光点Ｆ１を含む領域で加熱された原料５が順次加工点Ｐ１に積層される。これにより、図４（ｂ）に示すように、ｚ軸方向に延伸する線状部材３の一部３ａが形成される。

図５は、線状部材３の製造時における加工点Ｐ１の拡大図である。図５に示す拡大図は、図４（ｂ）のＡ部拡大図である。線状部材３の一部３ａの上面３ｂには、集光点Ｆ１を通過してデフォーカスの状態となった環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２が照射される。これにより、赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側は、照射される赤外線レーザ光Ｌｚ２のエネルギによって加熱されるため、原料５のメルトプール５ａが形成される。なお、図５では、線状部材３の一部３ａにおける温度をハッチングのドットの密度で示しており、ドットの密度が低いほど高温であることを示している。すなわち、線状部材３の一部３ａは、図５に示すように、積層される順にしたがって温度が低下することで、線状部材３が造形されることとなる。

図４（ｂ）に戻り、本実施形態では、積層工程において、加熱された原料５を積層しつつ、集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置が変更されるように、第２移動機構部５０によって台部４０を移動する。具体的には、第２移動機構部５０は、台部４０の回転軸Ａ２を回転中心として回転する（図４（ｂ）の白抜き矢印Ｒ１）。

図６は、線状部材３の製造方法を説明する第２の模式図である。図６に示す模式図は、図４（ｂ）の状態から台部４０を白抜き矢印Ｒ１の方向に回転したときの状態を示している。台部４０の上面４１に、加熱された原料５を積層しつつ台部４０を回転すると、台部４０に積層された原料５の加工点Ｐ１に新たに積層される原料５の積層方向が変化する。これにより、図６に示すように、台部４０の回転方向に沿った形状の線状部材３が造形される。

線状部材３の製造方法は、上述の４つの工程が並行して実施される。これにより、所望の長さを有する任意の三次元形状の線状部材３を造形することができる。

次に、本実施形態の積層造形装置１を用いた線状部材３の製造方法について、螺旋状の線状部材３を造形するときの積層造形装置１の具体的な作動を説明する。積層造形装置１では、第１移動機構部３０によって加工ヘッド２を移動させつつ、第２移動機構部５０によって台部４０を回転させることで、線状部材３を螺旋状に造形することができる。

図７は、線状部材３を製造するときの積層造形装置１の作動を説明する第１の模式図である。図７には、線状部材３を造形する前の積層造形装置１の状態を示している。図７（ａ）には、ｙ軸に沿った方向で見た積層造形装置１を示しており、図７（ｂ）には、ｘ軸に沿った方向で見た積層造形装置１を示している。図７の状態では、台部４０の上面４１は、水平面に略平行な状態となっている。図７に示すように、光軸Ａ１と回転軸Ａ２とは、ずれた位置関係となっている。なお、図７には、第１移動機構部３０と制御部６０は、図示していない。

図８は、線状部材３を製造するときの積層造形装置１の作動を説明する第２の模式図である。図８に示す積層造形装置１の状態は、図７の状態から、光学系１０において、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２を成形するとともに、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２を集光点Ｆ１に集光させている。また、原料供給部２０の噴射ノズル２３において、粉末状の原料５を含む搬送ガスを集光点Ｆ１に噴射している。これにより、台部４０の上面４１には、レーザ光が照射される位置に台部４０の材料が溶融したメルトプールが形成されたのち、加熱された原料５が積層された線状部材３の一部３ａが造形される。このとき、線状部材３の一部３ａの上部には、原料５のメルトプールが形成される。

図９は、線状部材３を製造するときの積層造形装置１の作動を説明する第３の模式図である。図９に示す積層造形装置１の状態は、図８に示す状態から、加工ヘッド２および台部４０を移動させている。具体的には、加工ヘッド２については、図９（ａ）に示すように、ｘ軸のプラス方向に移動させている（図９（ａ）の白抜き矢印Ｍ１１参照）。これにより、螺旋状の線状部材３の一部３ａの加工点Ｐ１がｘ軸のプラス方向に移動する。また、台部４０については、図９（ｂ）に示すように、回転軸Ａ２を中心として白抜き矢印Ｒ１１が示す方向に回転させている。これにより、線状部材３の一部３ａと台部４０との接続部分Ｃ１は、回転軸Ａ２を中心として回転するため、積層される原料５の台部４０に対する積層方向が変化し、ｘ軸に沿った方向で線状部材３の一部３ａを見ると、円弧形状となる（図９（ｂ）参照）。なお、図９には、図８の状態での加工ヘッド２と台部４０の位置を二点鎖線で示している。

図１０は、線状部材３を製造するときの積層造形装置１の作動を説明する第４の模式図である。図１０に示す積層造形装置１の状態は、図９に示す状態から、加工ヘッド２および台部４０をさらに移動させている。具体的には、加工ヘッド２については、図１０（ａ）に示すように、図９の状態に比べて、ｘ軸のプラス方向にさらに移動させている（図１０（ａ）の白抜き矢印Ｍ１２参照）。これにより、螺旋状の線状部材３の一部３ａの加工点Ｐ１がｘ軸のプラス方向にさらに移動する。また、台部４０については、図１０（ｂ）に示すように、図９の状態に比べて、回転軸Ａ２を中心として白抜き矢印Ｒ１２が示す方向にさらに回転させている。これにより、線状部材３の一部３ａと台部４０との接続部分Ｃ１は、回転軸Ａ２を中心として回転するため、積層される原料５の台部４０に対する積層方向が変化し、ｘ軸に沿った方向で線状部材３の一部３ａを見ると、円弧形状となる（図１０（ｂ）参照）。なお、図１０には、図９の状態での加工ヘッド２と台部４０の位置を二点鎖線で示している。

図１１は、線状部材３を製造するときの積層造形装置１の作動を説明する第５の模式図である。図１１に示す積層造形装置１では、図１０に示す状態から、加工ヘッド２および台部４０をさらに移動させたのち、レーザ光の集光と、原料５の供給を停止している。すなわち、図１１の状態は、螺旋状の線状部材３が完成した状態である。図９および図１０で説明したように加工ヘッド２をｘ軸のプラス方向に移動させつつ、回転軸Ａ２を中心として台部４０を回転させることで、図１１に示すような、螺旋状の線状部材３が造形される。

以上説明した、本実施形態の積層造形装置１によれば、光学系１０において、レーザ光源１１から出射された赤外線レーザ光Ｌｚ１は、環形状に成形されたのち集光点Ｆ１に集光される。線状部材３の原料５は、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側から集光点Ｆ１に向けて供給されることで集光点Ｆ１を含む領域を通過し加熱され、台部４０に積層される。集光点Ｆ１を通り過ぎた赤外線レーザ光Ｌｚ１は、台部４０上に積層されていく原料５をさらに加熱する。このとき、第１移動機構部３０および第２移動機構部５０によって集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置を変更させることで、台部４０に積層された原料５の加工点Ｐ１での原料５の積層方向を変化させて線状部材３を造形する。このように、本実施形態の積層造形装置１では、赤外線レーザ光が進む方向において、集光点Ｆ１の先に、原料５の加工点Ｐ１が位置しているため、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側から供給される原料５は、集光点Ｆ１を含む領域と加工点Ｐ１とで加熱される。パワー密度が高い集光点Ｆ１を含む領域において、赤外線レーザ光Ｌｚ２によって原料５が加熱されると、原料５の温度が上昇し、原料５の赤外線レーザ光に対する吸収率が増大する。この赤外線レーザ光に対する吸収率が増大した原料５は、台部４０上に積層されていく原料５の加工点Ｐ１において集光点Ｆ１を通り過ぎた赤外線レーザ光Ｌｚ２によってさらに加熱される。これにより、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の出力が低い場合でも原料５は溶融しやすくなり、線状部材３を造形することができる。また、集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置を変更することによって原料５の加工点Ｐ１に新たに積層される原料５の積層方向を変化させることで、三次元形状の線状部材３を造形することができる。さらに、原料５は、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側から集光点Ｆ１に向けて供給される。これにより、環形状のレーザ光の外側から原料が供給される場合に比べ、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２によって確実に加熱されるため、原料５の温度が上昇しやすい。したがって、レーザ光のエネルギを効率的に利用して三次元形状の線状部材３を造形することができる。

また、本実施形態の積層造形装置１によれば、加工点Ｐ１に照射される、デフォーカスで拡大した環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２によって、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側の台部４０の材料や積層された原料５が溶融したメルトプール４２、５ａが形成される。このメルトプール５ａの原料５は比較的高温となっているため、レーザ光に対する吸収率が増大する。これにより、低出力のレーザ光であっても溶融している状態を維持することができるため、線状部材３の先端のような比較的小さな領域においてもメルトプール５ａを形成することができる。したがって、原料５の溶融と凝固とによって積層される原料５同士が比較的強固に接続されるため、線状部材３を支持するサポート材がなくても、比較的複雑な任意の三次元形状の線状部材３を造形することができる。

また、本実施形態の積層造形装置１によれば、集光点Ｆ１には、粉末状の原料５を含む搬送ガスＧ１が噴射される。これにより、粉末状の原料５は、集光点Ｆ１を含む領域を通りやすくなるため、加熱されやすくなる。また、搬送ガスＧ１の流量を変更することで、原料５が、集光点Ｆ１を含む領域を通過する時間を調整することができる。これにより、レーザ光による原料５の加熱の程度を調整することができるため、加工点Ｐ１における原料５の状態を調整できる。したがって、造形される線状部材３の形状の自由度を高めることができる。

また、本実施形態の積層造形装置１によれば、材料加工用として一般的な赤外線レーザ光に対して吸収率の低い銅を原料５として用いる場合でも、原料５は、集光点Ｆ１と加工点Ｐ１とのそれぞれにおいて加熱されるため、積層による線状部材３の造形が可能となる。これにより、比較的高価な青色レーザ光の発振器を用いることなく銅からなる線状部材３を造形することができるため、製造コストを低減しつつ、信頼性の高い線状部材３を造形することができる。

また、本実施形態の線状部材３の製造方法によれば、レーザ成形工程において、環形状に成形された赤外線レーザ光Ｌｚ２を集光点Ｆ１に集光させる。加熱工程では、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側から、原料５を集光点Ｆ１に向けて供給する。これにより、集光点Ｆ１を含む領域を通過する原料５は、赤外線レーザ光Ｌｚ２によって加熱される。集光点Ｆ１で加熱された原料５は、積層工程において、台部４０上に積層される。積層工程では、集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置を変更することで、台部４０に積層された原料５の加工点Ｐ１に新たに積層される原料５の積層方向を変化させて線状部材３を造形する。これにより、原料５は、集光点Ｆ１を含む領域と加工点Ｐ１とで加熱されるため、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の出力が低い場合でも原料５は溶融しやすくなり、線状部材３を造形することができる。また、集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置を変更することによって原料５の加工点Ｐ１に新たに積層される原料５の積層方向を変化させることで、三次元形状の線状部材３を造形することができる。さらに、原料５は、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側から集光点Ｆ１に向けて供給される。これにより、原料５は、集光点Ｆ１を通らない場合でも、環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２の内側から外側に出るときに赤外線レーザ光Ｌｚ２に接触するため、加熱されやすい。したがって、レーザ光のエネルギを効率的に利用して三次元形状の線状部材３を造形することができる。

また、本実施形態の線状部材の製造方法によれば、加工点Ｐ１に照射される、デフォーカスで拡大した環形状の赤外線レーザ光Ｌｚ２によって、台部４０の材料や積層された原料５が溶融し、メルトプール４２、５ａが形成される。これにより、台部４０と原料５や、原料５同士を接続することができるため、線状部材３を支持するサポート材がなくても、螺旋形状のような比較的複雑な三次元形状の線状部材３を造形することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
上述の実施形態では、積層造形装置１は、加工ヘッド２を移動可能な第１移動機構部３０と、台部４０を移動可能な第２移動機構部５０とを備えるとした。しかしながら、第１移動機構部３０または第２移動機構部５０のいずれかであってもよく、積層造形装置１において、原料５を加熱し積層する間に、集光点Ｆ１に対する台部４０の相対位置を変更させることができればよい。

［変形例２］
上述の実施形態では、光学系１０は、レーザ光源１１と、アキシコンレンズ１２と、凸レンズ１３と、を備えているとした。しかしながら、光学系１０の構成はこれに限定されない。環形状のレーザ光を形成したのち、その環形状のレーザ光を集光点に集光させることができればよい。

［変形例３］
上述の実施形態では、デフォーカスされた環形状のレーザ光が照射される台部４０または線状部材３の加工点Ｐ１には、メルトプール４２、５ａが形成されるとした。しかしながら、メルトプールは形成されなくてもよく、集光点Ｆ１と加工点Ｐ１とにおけるレーザ光の加熱によって原料５が溶融されればよい。メルトプールが形成されることで、加工点Ｐ１における原料５の赤外線レーザ光に対する吸収率が増大するため、より効率的に赤外線レーザ光のエネルギを吸収することができる。これにより、より低出力のレーザ光でも三次元形状の線状部材３を造形することができる。

［変形例４］
上述の実施形態では、集光点Ｆ１への原料の供給は、粉末状の原料５を含む搬送ガスＧ１を噴射するとした。しかしながら、集光点Ｆ１への原料の供給方法は、これに限定されない。例えば、線状部材３の材料からなるワイヤを集光点Ｆ１に供給してもよい。

［変形例５］
上述の実施形態では、積層造形装置１は、ファイバーレーザ発振器が発振する赤外線レーザ光を用いて、銅からなる線状部材３を形成するとした。しかしながら、レーザ光の種類と原料との組み合わせは、これに限定されない。レーザ光は、赤外線レーザ光に限定されず、赤外線とは異なる波長のレーザ光を用いてもよい。また、線状部材の原料は、銅に限定されず、銅を含む原料であってもよいし、赤外線レーザ光に対して吸収率が小さい銀や金などの銅とは異なる金属種を含む原料であってもよい。上述の実施形態では、材料加工用として一般的に用いられている比較的安価な赤外線レーザ光を用いて、赤外線レーザ光の吸収率が比較的低い銅からなる線状部材を造形している。上述の実施形態で説明したように、集光点と加工点とにおいてレーザ光のエネルギを効率的に吸収することで、レーザ光の種類と原料との組み合わせによっては原料のレーザ光に対する吸収率が低く場合でも、三次元形状の線状部材を安価に造形することができる。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１…積層造形装置
３…線状部材
５…原料
１０…光学系
２０…原料供給部
３０…第１移動機構部
４０…台部
５０…第２移動機構部
Ｆ１…集光点
Ｇ１…搬送ガス
Ｌｚ１，Ｌｚ２…赤外線レーザ光
Ｐ１…加工点

Claims (4)

1. 積層造形装置であって、
   レーザ光源から出射されたレーザ光を環形状に成形するとともに、成形した環形状のレーザ光を集光点に集光させる光学系と、
   前記環形状のレーザ光の内側から前記集光点に向けて原料を供給する原料供給部と、
   前記集光点を通過して加熱された原料が積層される台部と、
   前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更させる移動機構部と、を備え、
   前記集光点に向けて原料を供給しつつ前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更させることによって、前記台部に積層された原料の加工点に新たに積層される原料の積層方向を変化させて線状部材を造形し、
   前記移動機構部は、前記レーザ光のうち前記集光点よりも先でデフォーカスされた部分が前記加工点に照射されることで、前記加工点の原料がさらに加熱されるように、前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更させる、
   積層造形装置。
2. 請求項１に記載の積層造形装置であって、
   前記原料供給部は、粉末状の原料を含む搬送ガスを前記集光点に向けて噴射する、
   積層造形装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の積層造形装置であって、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光は、赤外線レーザ光であり、
   前記集光点に向けて供給される原料は、銅と、銀と、金とのうちの少なくとも１つを含む、
   積層造形装置。
4. 線状部材の製造方法であって、
   レーザ光源からレーザ光を出射させることによって、前記レーザ光を環形状に成形するとともに、成形した環形状のレーザ光を集光点に集光させるレーザ成形工程と、
   前記環形状のレーザ光の内側から、原料を前記集光点に向けて供給することで、前記集光点に集光されたレーザ光によって前記原料を加熱する加熱工程と、
   前記集光点を通過して加熱された原料を台部上に積層させる積層工程と、を備え、
   前記積層工程において、前記集光点に対する前記台部の相対位置を変更することによって、前記レーザ光のうち前記集光点よりも先でデフォーカスされた部分が前記台部に積層された原料の加工点に照射されることで前記加工点の原料をさらに加熱しつつ、前記加工点に新たに積層される原料の積層方向を変化させて線状部材を造形する、
   線状部材の製造方法。

Images