喷嘴装置、层叠造型装置以及层叠造型物的制造方法
【专利摘要】具备：喷嘴装置(12)，喷出材料(121)，并照射激光(120)；光学系统(23)，设置成能够变更上述激光(120)的照射方向；以及控制装置(20)，对上述光学系统(23)进行控制而使上述激光(120)的照射方向变更，由此能够进行具有良好的表面粗糙度的细微的造型。
【专利说明】
喷嘴装置、层叠造型装置以及层叠造型物的制造方法
技术领域
[0001]本发明的实施方式涉及喷嘴装置、层叠造型装置以及层叠造型物的制造方法。
【背景技术】
[0002]以往，作为制造层叠造型物的方法，已知有被称作所谓定向能量沉积法的技术。定向能量沉积法为，喷射由金属材料构成的粉体状的材料，并朝材料照射激光而使其熔化，由此形成层，并且反复进行这样的工序，使层层叠而制造三维形状的层叠造型物。
[0003]此外，作为对这样的层叠造型物进行造型的层叠造型装置，还已知有如下技术:通过移动装置使能够喷射材料且能够照射激光的喷嘴移动，由此能够形成规定形状的层。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献I:日本特开2007-301980号公报
【发明内容】
[0007]发明要解决的课题
[0008]本发明要解决的课题在于，提供能够使从材料的供给位置偏移地供给的材料熔化的喷嘴装置、层叠造型装置以及层叠造型物的制造方法。
【附图说明】
[0009]图1是示意地表示一个实施方式的层叠造型装置的构成的说明图。
[0010]图2是示意地表示该层叠造型装置的主要部分构成的说明图。
[0011]图3是表示使用了该层叠造型装置的层叠造型物的制造的一例的说明图。
[0012]图4是表示使用了该层叠造型装置的层叠造型物的制造的一例的说明图。
【具体实施方式】
[0013]实施方式的喷嘴装置具备喷嘴、光学系统以及控制装置。喷嘴喷出材料，并照射能量线。光学系统设置成能够变更上述能量线的照射方向。控制装置对上述光学系统进行控制而使上述能量线的照射方向变更。
[0014]以下，使用图1至图4对第I实施方式的层叠造型装置I以及层叠造型物100的制造方法进行说明。
[0015]图1是示意地表示一个实施方式的层叠造型装置I的构成的说明图，图2是示意地表示层叠造型装置I的喷嘴装置12的构成的说明图，图3是表示使用了层叠造型装置I的层叠造型物100的制造的一例的说明图，图4是表示使用了层叠造型装置I的层叠造型物100的制造的一例的说明图。
[0016]如图1所示，层叠造型装置I具备载台11、喷嘴装置12、移动装置13、材料供给装置
14、气体供给装置15、光源16以及控制装置20。层叠造型装置I形成为，通过从喷嘴装置12以及材料供给装置14朝设置在载台11上的对象物110供给激光120以及材料121，由此能够对规定形状的层叠造型物100进行造型。层叠造型装置I例如为，载台11以及喷嘴装置12配置在处理槽内，在非活性气体氛围下进行层叠造型物100的造型。
[0017]另外，对象物110是指用于在其上表面对层叠造型物100进行造型的基座IlOa或者构成层叠造型物100的一部分的层110b。对象物110是通过喷嘴装置12供给材料121的对象。
[0018]材料121是粉体状的金属材料，使用一种金属材料或者多种不同的金属材料。
[0019]载台11形成为，能够在其上部支承对象物110。
[0020]喷嘴装置12形成为，能够选择性地朝载台11上的对象物110供给规定量的材料121，并且能够射出激光120作为使材料121熔化的能量线。具体而言，喷嘴装置12具备外壳体21、收纳在外壳体21内的喷嘴22、以及收纳在外壳体21内的光学系统23。
[0021]外壳体21与移动装置13连接，并形成为能够相对于载台11移动。喷嘴22与材料供给装置14、气体供给装置15以及光学系统23连接。喷嘴22经由供给管97与材料供给装置14以及气体供给装置15分别连接。喷嘴22具备:使从光学系统23射出的激光120通过的光通路部31 ；从其前端朝对象物110供给材料121的材料喷射口 32;以及从其前端朝对象物110供给气体122的气体喷射口 33。
[0022]如图1所示，光通路部31形成为如下的内径:能够使激光120通过，并且，即便激光120的照射方向在规定的角度范围内变更，也能够将激光120从光学系统23照射至对象物110。换言之，光通路部31是其轴心沿着重力方向的圆柱状的孔，且形成为能够使相对于其轴心倾斜了规定角度的激光120通过。另外，此处，如后所述，激光120的规定的角度范围，是在朝对象物110照射的激光120的照射范围120a内照射激光120的角度范围。
[0023]材料喷射口32例如设置有多个，将从材料供给装置14供给的材料121向对象物110喷射，且相对于光通路部31倾斜地形成，以使所喷射的材料121在规定的区域中会聚。另外，所喷射的材料121会聚的规定的区域，是指对象物110上且形成层11 Ob的位置。
[0024]气体喷射口33例如设置有多个，喷射从气体供给装置15供给的气体，且相对于光通路部31倾斜地形成，以使所喷射的气体122在规定的区域中会聚。气体喷射口 33构成为，以光通路部31为中心比材料喷射口 32配置在更外侧，在从材料喷射口 32喷射的材料121会聚的位置，所喷射的气体122会聚。
[0025]光学系统23经由缆线、例如光纤98与光源16连接。另外，在光学系统23的说明中，在以下，相对于从光源16射出的激光120的射出方向，将光源16侧作为一次侧，将通过光学系统23照射激光120的对象物110侧作为二次侧来进行说明。光学系统23具备:设置于光纤98的二次侧(射出侧)的透镜装置41 ；设置于透镜装置41的二次侧(射出侧)的电扫描仪42 ；以及设置于电扫描仪42的二次侧(射出侧)的F0透镜43。
[0026]透镜装置41形成为，能够将从光源16经由光纤98射出的激光120转换成平行光，且能够将转换后的激光120朝电扫描仪42射出。
[0027]电扫描仪42具备电镜42a以及能够使电镜42a在规定的角度范围内转动的马达42b。电扫描仪42经由信号线99与控制装置20连接。电扫描仪42形成为，能够通过马达42b使电镜42a在规定的角度范围内倾斜，使所入射的激光120以规定的反射角反射，并朝F0透镜43射出。另外，例如，电扫描仪42具有沿着水平方向的、X方向以及与X方向正交的Y方向的2个轴。
[0028]F0透镜43将以规定的角度范围入射的激光120朝光通路部31射出。F0透镜43形成为，能够调整激光120的焦点。此外，F0透镜43形成为，即便通过电扫描仪42变更所入射的激光120的角度，也能够容易地确保其焦点的高度方向的位置精度。换言之，F0透镜43形成为，在将焦点对准到对象物110上的状态下照射激光120，当在该照射中通过电扫描仪42变更了激光120的照射角度时，能够维持焦点位置以使焦点位于对象物110上。
[0029]移动装置13经由信号线99与控制装置20连接。移动装置13使喷嘴装置12与对象物100相对地移动。移动装置13形成为，能够使喷嘴装置12沿着用于形成层IlOb的进给方向F移动。
[0030]材料供给装置14经由信号线99与控制装置20连接。材料供给装置14具备:储存材料121的箱14a;以及从箱14a朝喷嘴22供给规定量的材料121的供给机构14b。材料供给装置14经由喷嘴22喷出材料121。储存于箱14a的材料121是粉体状的金属材料。供给机构14b形成为，例如能够将氮、氩等非活性气体作为载体而朝喷嘴22供给箱14a内的材料121。此外，供给机构14b形成为，能够对进行供给的材料121的供给量以及从喷嘴22喷射的材料121的喷射速度(供给速度)进行调整。
[0031]气体供给装置15经由信号线99与控制装置20连接。气体供给装置15具备:储存气体122的箱15a;以及从箱15a朝喷嘴22供给规定量的气体122的供给机构15b。储存于箱15a的气体122是氮、氩等非活性气体。通过气体供给装置15供给的气体122形成为，在使从喷嘴22喷射到对象物120上的材料121熔化而形成层I 1b时，能够防止层I 1b氧化或者与气体反应而形成化合物。
[0032]供给机构15b形成为，能够朝喷嘴22供给气体122。此外，供给机构15b形成为，能够对进行供给的气体122的供给量以及从喷嘴22喷射的气体122的喷射速度(供给速度)进行调整。
[0033]光源16是激光120的供给源，具有振荡元件，并形成为能够朝光纤98射出能够使材料121熔化的功率密度的激光120。此外，光源16形成为，能够变更所射出的激光120的功率
FtFt也/又。
[0034]控制装置20经由信号线99与移动装置13、材料供给装置14、气体供给装置15、光源16以及马达42b电连接。
[0035]控制装置20形成为，通过对移动装置13进行控制，由此能够使喷嘴22沿着X方向、Y方向、以及与X方向和Y方向正交的Z方向这3轴方向移动。控制装置20形成为，通过对材料供给装置14进行控制，由此能够对材料121的供给、材料121的供给量以及供给速度进行调整。
[0036]控制装置20形成为，通过对气体供给装置15进行控制，由此能够对气体122的供给、气体122的供给量以及供给速度进行调整。控制装置20形成为，通过对光源16进行控制，由此能够对从光源16射出的激光120的功率密度进行调整。
[0037]控制装置20形成为，通过对电扫描仪42的马达42b进行控制，由此能够对电镜42a的倾斜角度进行调整，并能够对从喷嘴22 (电扫描仪42)射出的激光120的射出角度进行调整。
[0038]此外，控制装置20具备存储部20a。在存储部20a中，作为阈值而存储有进行造型的层叠造型物100的形状。
[0039]此外，控制装置20具有以下的功能(I)至(2)。
[0040](I)从喷嘴22喷出材料121的功能。
[0041 ] (2)从喷嘴22向规定的范围照射激光120的功能。
[0042 ]接着，对这些功能(I)至功能(2)进行说明。
[0043]功能(I)为如下功能:基于存储于存储部20a的形成层叠造型物100的各层I1b的材料121，从喷嘴22对材料121的供给量以及供给速度进行调整而喷出(喷射)，并且使喷嘴22与进行形成的层I 1b的形状相匹配地移动。
[0044]具体而言，在形成层叠造型物100的规定的层IlOb时，对移动装置13进行控制，沿着图2以及图3所示的进给方向F，使喷嘴装置12相对于对象物110朝规定的进给方向F移动。此外，与喷嘴装置12的移动相匹配，对材料供给装置14进行控制，以规定的供给量以及供给速度从喷嘴22朝对象物110喷射形成层I 1b的材料121。此外，同时，对气体供给装置15进行控制，以规定的供给量以及供给速度从喷嘴22朝对象物110喷射作为清扫气体的气体122。如此，功能(I)是使喷嘴22按照规定的轨迹移动、并且朝对象物110供给材料121以及气体122的功能。
[0045]功能(2)为如下功能:在通过功能(I)朝对象物110供给材料121时，向对象物110的规定范围照射激光120，形成熔池130而使材料121熔化。另外，熔池130是指由通过照射激光120而熔化的材料121以及对象物100形成的熔化部。
[0046]具体而言，首先，在移动装置13使喷嘴装置12—边喷射材料121—边朝规定的进给方向F移动的情况下，对电扫描仪42进行控制，将激光120照射至材料121以及气体122的供给位置而在该供给位置形成熔池130。此外，对电扫描仪42进行控制，使电镜42a在规定的角度范围内连续地转动，由此以向规定的照射范围120a连续地照射激光120的方式，使激光120的照射方向变化而朝该供给位置以及进给方向F上的该供给位置的一次侧照射激光120。
[0047]换言之，朝材料121的供给位置以及喷嘴22所通过的轨迹的一部分交替地进行照射。再换言之，以规定的频率在规定的角度范围内对电扫描仪42连续地反复进行角度调整，在激光120的扫描方向G上使激光120以规定的频率振摆，由此朝材料121的供给位置、以及进给方向F上的供给位置的一次侧照射激光120。由此，在激光120的照射范围120a内形成熔池 130。
[0048]另外，此处，喷嘴22(喷嘴装置12)的进给方向F是指，用于形成规定形状的层IlOb的喷嘴22的行进方向(移动方向)。此外，扫描方向G是指，通过转动电镜42a而沿着进给方向F使激光120振摆的方向。
[0049]更具体地，关于功能(2)，使用图2至图4对对象物110上的任意位置的激光120的照射进行说明。首先，使喷嘴22沿着进给方向F移动，在任意位置，如图4的上部所示那样开始材料的供给。当喷嘴22移动时，材料121的供给量逐渐增加直至成为规定量。
[0050]接着，使喷嘴22移动而使材料121的供给位置移动，并且在规定的角度范围内对电扫描仪42反复进行角度调整。由此，激光120反复照射材料供给位置及其一次侧。当进一步使喷嘴22移动时，有时要朝材料供给位置供给的材料121的一部分飞散而被朝一次侧供给。在该情况下，由于激光120还朝材料供给位置的一次侧照射，因此即便材料121朝喷嘴22所通过的喷嘴22的行进方向的一次侧飞散，激光120也会朝喷嘴22的行进方向的一次侧照射而使其熔化。
[0051]如此，功能(2)为，通过使激光120在规定的照射范围120a内在扫描方向G上连续地振摆，由此朝材料121的供给位置及其一次侧照射激光120，而使材料121熔化。由此，功能
(2)是通过所供给的材料121来形成对层叠造型物100进行构成的层IlOb的功能。
[0052]接着，使用图3以及图4对使用了层叠造型装置I的层叠造型物100的制造方法进行说明。
[0053]首先，控制装置20对材料供给装置14以及气体供给装置15进行控制，从喷嘴22朝对层叠造型物100进行造型的对象物110上，以规定的供给量以及供给速度供给材料121以及气体122。此外，控制装置20对光源16以及光学系统23进行控制，朝所供给的材料121照射激光120而使材料121熔化。
[0054]此外，控制装置20对移动装置13进行控制，使喷嘴装置12沿着与要形成的层IlOb的形状相匹配地设定的进给方向F移动。控制装置20在喷嘴装置12开始移动后，对电扫描仪42进行控制，在规定的角度范围内对电镜42a的倾斜角度进行调整，使激光120以规定的频率在扫描方向G上振摆，向规定的照射范围120a照射激光120。在该状态下喷嘴装置12进行移动，由此朝喷嘴22下方的材料121的供给位置以及该供给位置的一次侧照射激光120。由此，如图2所示，形成熔池130，从喷嘴22供给的材料121以及朝进给方向F上的材料121的供给位置的一次侧飞散的材料121被激光120熔化。
[0055]并且，控制装置20继续使喷嘴装置12沿着进给方向F移动，而供给材料121以及气体122。此外，控制装置20沿着扫描方向G朝对象物110以及所供给的材料121照射激光120，而形成规定的层110b。控制装置20反复形成层IlOb并使其层叠，直至成为存储于存储部20a的层叠造型物100的形状为止，由此对层叠造型物100进行造型。
[0056]如此构成的层叠造型装置I为，通过对光学系统23进行控制而使激光120在扫描方向G上振摆，由此能够朝所供给的材料121以及材料121的供给位置的喷嘴装置12的进给方向F上的一次侧照射激光120。
[0057]因此，在喷嘴装置12通过之后还朝对象物110照射激光120的期间，形成熔池130。由此，在材料121的供给时，能够使朝喷嘴装置12的进给方向F上的材料121的供给位置的一次侧飞散供给的材料121熔化。即，能够使从材料121的规定的供给位置朝一次侧偏移地供给的材料121熔化。
[0058]由此，能够防止未熔化的材料121附着于软化的层110b，而层IlOb直接固化而未熔化的材料121残留，能够使所供给的材料121可靠地熔化。结果，能够提高所形成的层IlOb以及层叠造型物100的表面粗糙度。
[0059]具体地说明，当通过照射激光120而形成于对象物110的熔池130变得不被照射激光120时，通过自然冷却而逐渐固化并形成层110b。此时，层IlOb经过软化状态而固化，因此当材料121飞散到软化状态的层11Ob上时，材料121附着到软化的层11Ob上，材料121以未熔化的状态固定于层110b。因此，所形成的层IlOb或者层叠造型物100，可能在表面上设置有该未熔化的材料121，表面粗糙度有可能变粗糙。
[0060]但是，根据层叠造型装置I，通过对喷嘴22所通过的轨迹照射激光120，即、朝喷嘴装置12的进给方向F上的材料121的供给位置的一次侧照射激光120，由此能够通过激光120使飞散到喷嘴22所通过的层I 1b上的材料121熔化。由此，能够防止材料121以未熔化的状态附着于层IlOb而层IlOb固化。因此，能够使所造型的层叠造型物I成为良好的表面粗糙度。
[0061]此外，层叠造型装置I构成为，不增大朝对象物110上照射的激光120的焦点的区域，而使激光120在沿着喷嘴22的进给方向F的扫描方向G上振摆，由此在实际上扩大照射激光120的照射范围120a。因此，由于无需增大激光120的焦点形状，因此能够进行细微的造型。
[0062]如上所述，根据使用了本实施方式的层叠造型装置I的层叠造型物100的制造方法，在材料121的供给时，即便朝从供给位置偏移了的位置且是熔化或者软化了的层I 1b供给材料121，通过使激光120从材料121的供给位置振摆规定幅度地朝对象物110照射，由此也能够使该材料121可靠地熔化。
[0063]另外，本实施方式的层叠造型装置I以及层叠造型物100的制造方法，不限定于上述构成。例如，在上述例子中，说明了如下构成，控制装置20对电扫描仪42进行控制，朝从喷嘴22供给的材料121的供给位置以及喷嘴装置12的进给方向F上的供给位置的一次侧照射激光120，但并不限定于此。作为其他实施例，也可以形成为，控制装置20能够对电扫描仪42进行控制，使激光120朝喷嘴装置12的进给方向F上的材料121的供给位置的一次侧以及二次侧振摆。根据这样的层叠造型装置I，由于沿着进给方向F朝材料121的供给位置的一次侧以及二次侧照射激光120，因此能够在材料121的供给位置以及其一次侧形成熔池130，使供给至供给位置的材料121以及朝供给位置的一次侧飞散的材料121熔化。此外，能够通过激光120预先对进给方向F上的喷嘴22的二次侧的对象物110进行加热，在喷嘴22进一步移动时，能够在短时间内形成熔池130。
[0064]并且，在上述例子中，说明了照射激光120而使对象物110以及材料121熔化的构成，但并不限定于此。只要能够使对象物110以及材料121熔化、且能够使熔化的范围在扫描方向G上振摆，则也可以构成为不通过激光120而通过其他能量线使其熔化。
[0065]对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他的各种方式加以实施，在不偏离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于权利要求书所记载的发明和与其等同的范围中。
【主权项】
1.一种喷嘴装置，其特征在于，具备: 喷嘴，用于喷出材料，并照射能量线； 光学系统，设置成能够变更上述能量线的照射方向；以及 控制装置，对上述光学系统进行控制而使上述能量线的照射方向变更。2.如权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于， 上述控制装置对供给上述材料的上述喷嘴的移动方向进行控制。3.如权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于， 上述控制装置使上述能量线的照射方向连续地变化。4.一种层叠造型装置，其特征在于，具备: 权利要求1至3中任一项所述的喷嘴装置； 移动装置，使上述喷嘴与对象物相对地移动； 光源，经由上述光学系统照射上述能量线；以及 材料供给装置，经由上述喷嘴喷出上述材料。5.如权利要求4所述的层叠造型装置，其特征在于， 上述控制装置对上述光学系统进行控制，还朝上述喷嘴的行进方向的一次侧照射上述能量线。6.如权利要求4所述的层叠造型装置，其特征在于， 上述控制装置对上述光学系统进行控制，还朝上述喷嘴的行进方向的二次侧照射上述能量线。7.一种层叠造型物的制造方法，其特征在于， 从喷嘴朝对象物上的材料供给位置供给材料， 通过光学系统使能量线的照射位置在上述材料供给位置与已经供给材料而造型了的造型物的一部分之间变化。8.如权利要求7所述的层叠造型物的制造方法，其特征在于， 上述控制装置对供给上述材料的上述喷嘴的移动方向进行控制。9.如权利要求7所述的层叠造型物的制造方法，其特征在于， 对上述光学系统进行控制，还朝上述喷嘴的行进方向的一次侧照射上述能量线。10.如权利要求7所述的层叠造型物的制造方法，其特征在于， 对上述光学系统进行控制，还朝上述喷嘴的行进方向的二次侧照射上述能量线。11.如权利要求7所述的层叠造型物的制造方法，其特征在于， 上述控制装置使上述能量线的照射方向连续地变化。
【文档编号】B23K26/082GK106061668SQ201480076810
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年9月12日
【发明人】小原隆, 冈田直忠
【申请人】株式会社东芝