JP2019098374A - レーザ積層造形装置及びレーザ積層方法 - Google Patents
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Abstract
Description
回折光学素子により光強度分布が変換されたレーザ光を照射領域に照射する照射部、及び前記照射領域に粉末材料を供給する材料供給部を有するヘッドと、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、
を備え、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成され、
前記材料供給部により、前記略円形スポット内に前記粉末材料が供給されるようになっている。
レーザ光を回折光学素子に入射させる工程と、
ヘッドから照射領域に前記回折光学素子で光強度分布が変換されたレーザ光を照射する工程と、
前記ヘッドから前記照射領域に粉末材料を供給する工程と、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる工程と、
を含み、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットを形成し、
前記ヘッドから前記略円形スポット内に前記粉末材料を供給するようになっている。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示す場合があるが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態では前述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
はじめに、図1から図4を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図1は、本発明の1つの実施形態に係るレーザ積層造形装置の構成を模式的に示す図である。図2は、被加工物に照射するレーザ光の光強度分布を模式的に示すグラフである。図3は、1つの実施形態に係るレーザ積層造形装置、レーザ積層方法により被加工物にレーザ光及び粉末材料を供給する態様を模式的に示す図である。図4は、コリメートレンズからレーザ光を回折光学素子に入射させる態様の一例を模式的に示す図である。
照射領域Sにおいて、照射部10からの照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成される。
また、材料供給部20により、この略円形スポット内に粉末材料が供給されるようになっている。
照射部10について更に詳細に述べれば、光ファイバ52により伝送されたレーザ光が入射し、平行光を回折光学素子(DOE)12に出射するコリメートレンズ14と、回折光学素子(DOE)12から出射された光を照射領域Sに集光する集光レンズ16とを備える。
レーザ光源装置50は、ヘッド30の筐体内に配置されて、移動機構40により筐体とともに移動する場合もあり得るし、筐体の外に配置されて移動しない場合もあり得る。レーザ光源装置50が移動しない場合には、光ファイバ52により、レーザ光源装置50及びヘッド30の間の相対的な位置変化を吸収するようになっている。
本実施形態に係る回折光学素子(DOE)12としては、例えば石英基板で形成され、基板上にフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術とを用いて、凹凸パターンが加工されたものを使用することができる。凹凸パターンが形成された回折光学素子(DOE)12に平行ビームを照射すると、その凹凸パターンに応じた光強度分布を有する回折像を得ることができる。回折光学素子(DOE)12の基板表面には、均一な温度分布を形成する光強度分布を有する回折像を得るための凹凸パターンが形成されている。
基本的に、回折光学素子(DOE)12に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子(DOE)12の入射面の外径に対する比率が大きければ、外周部X1の光強度Y1の中央部X2の光強度Y2に対する比率(Y1/Y2)が大きくなる。逆に、回折光学素子(DOE)12に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子(DOE)12の入射面の外径に対する比率が小さければ、外周部X1の光強度Y1の中央部X2の光強度Y2に対する比率(Y1/Y2)が小さくなる。
ただし、これに限られるものではなく、ドッグイヤー形の光強度分布を形成する回折パターンを有する回折光学素子(DOE)12に対して、入射するレーザ光の光径が、回折光学素子(DOE)12の入射面の外径より大きくなるようにすることにより、より外周部X1の光強度Y1の中央部X2の光強度Y2に対する比率を大きくなった光強度分布を得ることもできる。
材料供給部20ついて更に詳細に述べれば、貯蔵部22に貯蔵された粉末材料が、キャリアガスとともに、供給管24内を流れて、材料供給部20の吹出ノズル26から照射領域Sに供給される。粉末材料としては、ステンレス鋼、ニッケル基合金(インコネル)、タングステンカーバイド複合材料、銅合金、真鍮、コバルトクロムモリブデン合金、ステライト、工具鋼をはじめとする任意の金属材料を用いることができる。粉末材料の粒径としては、50〜150μmを例示できるが、これに限られるものではない。
キャリアガスとして、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスを用いることが好ましい。更に、粉末材料を含むキャリアガスの外側に、不活性ガスからなるシールドガスを供給することにより、レーザ積層における材料の酸化等を抑制することができる。
貯蔵部22は、ヘッド30の筐体内に配置されて、筐体とともに移動機構40により移動する場合も、筐体の外に配置されて移動しない場合もあり得る。貯蔵部22が移動しない場合には、供給管24の一部がホース等の移動、変形が可能な部材で構成され、貯蔵部22及びヘッド30の筐体の間の相対的な位置変化を吸収するようになっている。
よって、粉末材料が溶融池Mに到達する前にプラズマが生じてレーザ光が遮断されることはない。また、光学系(集光レンズ16等)に穴をあけて材料の供給口を設ける必要がないので、製造コストが低減でき、光学系の信頼性も高まる。
移動機構40について更に詳細に述べれば、図1に示すように、被加工物60をテーブルに固定し、移動機構40のアクチュエータ42により、ヘッド30を図面水平方向(白抜き矢印参照)に移動させることができる。これにより、レーザ光Lと粉末材料Pを供給しながら被加工物60に対して走査してレーザ積層を行うことができる。なお、逆に、ヘッド30の位置を固定し、披加工物60を取り付けたテーブルを、移動機構のアクチュエータにより、図面水平方向に移動させることもできる。また、ヘッド30及び被加工物60の両方を移動させることもできる。
本実施形態に係るレーザ積層造形装置2は、単独のレーザ積層造形装置の場合も、工作機械に組み込まれる場合もあり得る。工作機械に組み込まれる場合には、移動機構40として工作機械の移動機構を用いることもできる。
次に、図1から図4を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係るレーザ積層方法について、簡略に説明する。
まず、被加工物60を、レーザ加工装置2のテーブル上に載置し、積層を行う領域が集光レンズ16の焦点近傍にくるように、被加工物60の位置及び高さを調整する。続いて、レーザ光源装置50を作動させ、光ファイバ52、コリメートレンズ14、回折光学素子(DOE)12、及び集光レンズ16を通過した高出力レーザ光を照射し、照射領域Sがドッグイヤー形の光強度分布のレーザ光で加熱されるようにする。その状態で、粉末材料Pを、照射領域Sに形成される略円形スポット内に供給し、ヘッド30を移動して走査を開始する。以上のようなレーザ積層方法により、レーザ光が通過した後の累積照射熱量が位置によらず一定になるため、積層された材料は均一加熱され自然冷却により固化する。照射領域Sでは、以上の手順により積層が行われる。
回折光学素子(DOE)12により光強度分布が変換されたレーザ光Lを照射領域Sに照射する照射部10、及び照射領域Sに粉末材料Pを供給する材料供給部20を有するヘッド30と、
ヘッド30及び被加工物60を相対的に移動させる移動機構40と、
を備え、
照射領域Sにおいて、
照射光Lにより、外周部X1の光強度が中央部X2の光強度より強くかつ中央部X2も所定の光強度を有する(ドッグイヤー形の)光強度分布を有する略円形スポットS1が形成され、
材料供給部20により、略円形スポットS1内に粉末材料が供給されるようになっている。
レーザ光を回折光学素子(DOE)12に入射させる工程と、
ヘッド30から照射領域Sに回折光学素子(DOE)12で光強度分布が変換されたレーザ光Lを照射する工程と、
ヘッド30から照射領域Sに粉末材料Pを供給する工程と、
ヘッド30及び被加工物60を相対的に移動させる工程と、
を含み、
照射領域Sにおいて、
照射光Lにより、外周部X1の光強度が中央部X2の光強度より強くかつ中央部X2も所定の光強度を有する光強度分布を有する(ドッグイヤー形の)略円形スポットS1を形成し、
ヘッド30から略円形スポットS1内に粉末材料Pを供給するようになっている。
このとき、照射領域に照射されるレーザ光が、ガウス分布やトップハット形の光強度分布を有する略円形スポットの場合、中央部の累積熱量が外周部の累積熱量に比べて大きくなり、溶融池は、中央の温度が高く、外周部の温度が低い不均一な温度分布を有するようになる。
よって、ヘッドを被加工物60に対して走査する高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を実現できる。更に、照射光の略円形スポットS1内に粉末材料Pが供給されるので、プラズマによりレーザ光が遮断される問題も抑制でき、高効率な積層を実現できる。
様々なシミュレーション結果に基づくと、Rの値が、8%以上40%以下の光強度分布を有することが好ましく、10%以上30%以下の光強度分布を有することが更に好ましいことが判明した。このような光強度分布の範囲により、均一で高品位なレーザ積層を確実に実行することができる。
次に、図5を参照しながら、本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図5は、 本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。
本実施形態における照射部10では、コリメートレンズ14が光軸方向に移動可能になっている。
コリメートレンズ14を光軸方向に移動させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ14の移動を行う場合には、積層工程の条件の変化に応じて、コリメートレンズ14の位置変更を自動制御することもできる。
次に、図6及び図7を参照しながら、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図6は、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。図7は、レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行うところを模式的に示す斜視図である。
入射面の法線方向から傾斜させる角度θによって、非対称の度合いを任意に調整することができる。また、入射面の法線方向に対して、コリメートレンズ14の光軸を両方向(+θ〜−θ)に傾斜させることができるので、時計回り、反時計周り任意の向きのコーナ部の積層に対応することができる。
コリメートレンズ14を回折光学素子(DOE)12の入射面の法線方向から傾斜させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ14を傾斜させる場合には、例えば、走査工程においてコーナ部に到達したときにコリメートレンズ14を自動的に傾斜させ、コーナ部を通過したところで自動的に元に戻す自動制御を行うこともできる。
次に、図8を参照しながら、(a)ガウス分布の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、(b)トップハット形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、及び(c)上記の実施形態のように、ドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布のシミュレーション結果を説明する。図8は、ガウス分布、トップハット形及びドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査した場合の照射領域の温度分布を示す図である。走査した場合の照射領域において、色の濃い部分の温度が高く、薄い部分の温度が低くなっている
以上のように、実際にレーザ積層のシミュレーションを行うことにより、上記の本発明の実施形態に係るレーザ積層造形装置2及びレーザ積層方法により奏する作用効果が実証された。
10 照射部
12 回折光学素子
14 コリメートレンズ
16 集光レンズ
18 レンズ
20 材料供給部
22 貯蔵部
24 供給管
26 吹出ノズル
26A 吹出口
30 ヘッド
40 移動機構
42 アクチュエータ
50 レーザ光源装置
52 光ファイバ
52A 出力端
60 披加工物
S 照射領域
S1 略円形スポット
L レーザ光
P 粉末材料
M 溶融池
回折光学素子により光強度分布が変換されたレーザ光を照射領域に照射する照射部、及び前記照射領域に粉末材料を供給する材料供給部を有するヘッドと、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、
を備え、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成され、
前記材料供給部により、前記略円形スポット内に前記粉末材料が供給されるようになっている。
レーザ光を回折光学素子に入射させる工程と、
ヘッドから照射領域に前記回折光学素子で光強度分布が変換されたレーザ光を照射する工程と、
前記ヘッドから前記照射領域に粉末材料を供給する工程と、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる工程と、
を含み、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットを形成し、
前記ヘッドから前記略円形スポット内に前記粉末材料を供給するようになっている。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示す場合があるが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態では前述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
はじめに、図1から図4を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図1は、本発明の1つの実施形態に係るレーザ積層造形装置の構成を模式的に示す図である。図2は、被加工物に照射するレーザ光の光強度分布を模式的に示すグラフである。図3は、1つの実施形態に係るレーザ積層造形装置、レーザ積層方法により被加工物にレーザ光及び粉末材料を供給する態様を模式的に示す図である。図4は、コリメートレンズからレーザ光を回折光学素子に入射させる態様の一例を模式的に示す図である。
照射領域Sにおいて、照射部10からの照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成される。
また、材料供給部20により、この略円形スポット内に粉末材料が供給されるようになっている。
照射部10について更に詳細に述べれば、光ファイバ52により伝送されたレーザ光が入射し、平行光を回折光学素子(DOE)12に出射するコリメートレンズ14と、回折光学素子(DOE)12から出射された光を照射領域Sに集光する集光レンズ16とを備える。
レーザ光源装置50は、ヘッド30の筐体内に配置されて、移動機構40により筐体とともに移動する場合もあり得るし、筐体の外に配置されて移動しない場合もあり得る。レーザ光源装置50が移動しない場合には、光ファイバ52により、レーザ光源装置50及びヘッド30の間の相対的な位置変化を吸収するようになっている。
本実施形態に係る回折光学素子(DOE)12としては、例えば石英基板で形成され、基板上にフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術とを用いて、凹凸パターンが加工されたものを使用することができる。凹凸パターンが形成された回折光学素子(DOE)12に平行ビームを照射すると、その凹凸パターンに応じた光強度分布を有する回折像を得ることができる。回折光学素子(DOE)12の基板表面には、均一な温度分布を形成する光強度分布を有する回折像を得るための凹凸パターンが形成されている。
基本的に、回折光学素子(DOE)12に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子(DOE)12の入射面の外径に対する比率が大きければ、外周部X1の光強度Y1の中央部X2の光強度Y2に対する比率(Y1/Y2)が大きくなる。逆に、回折光学素子(DOE)12に入射するレーザ光の光径の光回折光学素子(DOE)12の入射面の外径に対する比率が小さければ、外周部X1の光強度Y1の中央部X2の光強度Y2に対する比率(Y1/Y2)が小さくなる。
ただし、これに限られるものではなく、ドッグイヤー形の光強度分布を形成する回折パターンを有する回折光学素子(DOE)12に対して、入射するレーザ光の光径が、回折光学素子(DOE)12の入射面の外径より大きくなるようにすることにより、より外周部X1の光強度Y1の中央部X2の光強度Y2に対する比率を大きくなった光強度分布を得ることもできる。
材料供給部20ついて更に詳細に述べれば、貯蔵部22に貯蔵された粉末材料が、キャリアガスとともに、供給管24内を流れて、材料供給部20の吹出ノズル26から照射領域Sに供給される。粉末材料としては、ステンレス鋼、ニッケル基合金(インコネル)、タングステンカーバイド複合材料、銅合金、真鍮、コバルトクロムモリブデン合金、ステライト、工具鋼をはじめとする任意の金属材料を用いることができる。粉末材料の粒径としては、50〜150μmを例示できるが、これに限られるものではない。
キャリアガスとして、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスを用いることが好ましい。更に、粉末材料を含むキャリアガスの外側に、不活性ガスからなるシールドガスを供給することにより、レーザ積層における材料の酸化等を抑制することができる。
貯蔵部22は、ヘッド30の筐体内に配置されて、筐体とともに移動機構40により移動する場合も、筐体の外に配置されて移動しない場合もあり得る。貯蔵部22が移動しない場合には、供給管24の一部がホース等の移動、変形が可能な部材で構成され、貯蔵部22及びヘッド30の筐体の間の相対的な位置変化を吸収するようになっている。
よって、粉末材料が溶融池Mに到達する前にプラズマが生じてレーザ光が遮断されることはない。また、光学系(集光レンズ16等)に穴をあけて材料の供給口を設ける必要がないので、製造コストが低減でき、光学系の信頼性も高まる。
移動機構40について更に詳細に述べれば、図1に示すように、被加工物60をテーブルに固定し、移動機構40のアクチュエータ42により、ヘッド30を図面水平方向(白抜き矢印参照)に移動させることができる。これにより、レーザ光Lと粉末材料Pを供給しながら被加工物60に対して走査してレーザ積層を行うことができる。なお、逆に、ヘッド30の位置を固定し、披加工物60を取り付けたテーブルを、移動機構のアクチュエータにより、図面水平方向に移動させることもできる。また、ヘッド30及び被加工物60の両方を移動させることもできる。
本実施形態に係るレーザ積層造形装置2は、単独のレーザ積層造形装置の場合も、工作機械に組み込まれる場合もあり得る。工作機械に組み込まれる場合には、移動機構40として工作機械の移動機構を用いることもできる。
次に、図1から図4を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係るレーザ積層方法について、簡略に説明する。
まず、被加工物60を、レーザ加工装置2のテーブル上に載置し、積層を行う領域が集光レンズ16の焦点近傍にくるように、被加工物60の位置及び高さを調整する。続いて、レーザ光源装置50を作動させ、光ファイバ52、コリメートレンズ14、回折光学素子(DOE)12、及び集光レンズ16を通過した高出力レーザ光を照射し、照射領域Sがドッグイヤー形の光強度分布のレーザ光で加熱されるようにする。その状態で、粉末材料Pを、照射領域Sに形成される略円形スポット内に供給し、ヘッド30を移動して走査を開始する。以上のようなレーザ積層方法により、レーザ光が通過した後の累積照射熱量が位置によらず一定になるため、積層された材料は均一加熱され自然冷却により固化する。照射領域Sでは、以上の手順により積層が行われる。
回折光学素子(DOE)12により光強度分布が変換されたレーザ光Lを照射領域Sに照射する照射部10、及び照射領域Sに粉末材料Pを供給する材料供給部20を有するヘッド30と、
ヘッド30及び被加工物60を相対的に移動させる移動機構40と、
を備え、
照射領域Sにおいて、
照射光Lにより、外周部X1の光強度が中央部X2の光強度より強くかつ中央部X2も所定の光強度を有する(ドッグイヤー形の)光強度分布を有する略円形スポットS1が形成され、
材料供給部20により、略円形スポットS1内に粉末材料が供給されるようになっている。
レーザ光を回折光学素子(DOE)12に入射させる工程と、
ヘッド30から照射領域Sに回折光学素子(DOE)12で光強度分布が変換されたレーザ光Lを照射する工程と、
ヘッド30から照射領域Sに粉末材料Pを供給する工程と、
ヘッド30及び被加工物60を相対的に移動させる工程と、
を含み、
照射領域Sにおいて、
照射光Lにより、外周部X1の光強度が中央部X2の光強度より強くかつ中央部X2も所定の光強度を有する光強度分布を有する(ドッグイヤー形の)略円形スポットS1を形成し、
ヘッド30から略円形スポットS1内に粉末材料Pを供給するようになっている。
このとき、照射領域に照射されるレーザ光が、ガウス分布やトップハット形の光強度分布を有する略円形スポットの場合、中央部の累積熱量が外周部の累積熱量に比べて大きくなり、溶融池は、中央の温度が高く、外周部の温度が低い不均一な温度分布を有するようになる。
よって、ヘッドを被加工物60に対して走査する高エネルギ密度のレーザ光を用いた連続積層であっても、均一で高品位な積層を実現できる。更に、照射光の略円形スポットS1内に粉末材料Pが供給されるので、プラズマによりレーザ光が遮断される問題も抑制でき、高効率な積層を実現できる。
様々なシミュレーション結果に基づくと、Rの値が、8%以上40%以下の光強度分布を有することが好ましく、10%以上30%以下の光強度分布を有することが更に好ましいことが判明した。このような光強度分布の範囲により、均一で高品位なレーザ積層を確実に実行することができる。
次に、図5を参照しながら、本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図5は、 本発明のその他の実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。
本実施形態における照射部10では、コリメートレンズ14が光軸方向に移動可能になっている。
コリメートレンズ14を光軸方向に移動させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ14の移動を行う場合には、積層工程の条件の変化に応じて、コリメートレンズ14の位置変更を自動制御することもできる。
次に、図6及び図7を参照しながら、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置の説明を行う。図6は、本発明の更なる実施形態に係るレーザ積層造形装置、特に照射部の構成を模式的に示す図である。図7は、レーザ積層造形装置によりコーナ部における積層を行うところを模式的に示す斜視図である。
入射面の法線方向から傾斜させる角度θによって、非対称の度合いを任意に調整することができる。また、入射面の法線方向に対して、コリメートレンズ14の光軸を両方向(+θ〜−θ)に傾斜させることができるので、時計回り、反時計周り任意の向きのコーナ部の積層に対応することができる。
コリメートレンズ14を回折光学素子(DOE)12の入射面の法線方向から傾斜させる手段として、手動で行うこともできるし、アクチュエータ等を用いて行うこともできる。アクチエータ等を用いてコリメートレンズ14を傾斜させる場合には、例えば、走査工程においてコーナ部に到達したときにコリメートレンズ14を自動的に傾斜させ、コーナ部を通過したところで自動的に元に戻す自動制御を行うこともできる。
次に、図8を参照しながら、(a)ガウス分布の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、(b)トップハット形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布、及び(c)上記の実施形態のように、ドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を照射領域に照射して走査した場合の照射領域における温度分布のシミュレーション結果を説明する。図8は、ガウス分布、トップハット形及びドッグイヤー形の強強度分布のレーザ光を用いて走査した場合の照射領域の温度分布を示す図である。走査した場合の照射領域において、色の濃い部分の温度が高く、薄い部分の温度が低くなっている
以上のように、実際にレーザ積層のシミュレーションを行うことにより、上記の本発明の実施形態に係るレーザ積層造形装置2及びレーザ積層方法により奏する作用効果が実証された。
10 照射部
12 回折光学素子
14 コリメートレンズ
16 集光レンズ
18 レンズ
20 材料供給部
22 貯蔵部
24 供給管
26 吹出ノズル
26A 吹出口
30 ヘッド
40 移動機構
42 アクチュエータ
50 レーザ光源装置
52 光ファイバ
52A 出力端
60 披加工物
S 照射領域
S1 略円形スポット
L レーザ光
P 粉末材料
M 溶融池
Claims (6)
- 回折光学素子により光強度分布が変換されたレーザ光を照射領域に照射する照射部、及び前記照射領域に粉末材料を供給する材料供給部を有するヘッドと、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる移動機構と、
を備え、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットが形成され、
前記材料供給部により、前記略円形スポット内に前記粉末材料が供給されることを特徴とするレーザ積層造形装置。 - 前記中央部の光強度が前記外周部の光強度の10%以上30%以下である光強度分布を有することを特徴とする請求項1に記載のレーザ積層造形装置。
- 前記照射部が、光ファイバにより伝送されたレーザ光が入射し、平行光を前記回折光学素子に出射するコリメートレンズを備え、
前記回折光学素子がトップハット形の光強度分布を形成する回折格子パターンを有し、
前記コリメートレンズから出射される光の光径を前記回折光学素子の入射面より大きくすることにより、前記外周部が前記中央部より光強度が強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する前記光強度分布を形成することを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ積層造形装置。 - 前記コリメートレンズを光軸方向に移動させることにより、前記光強度分布のプロファイルを変更することを特徴とする請求項3に記載のレーザ積層造形装置。
- 前記コリメートレンズの光軸を前記回折光学素子の入射面の法線方向から傾けることにより、光軸に対して非対称な前記光強度分布を形成することを特徴とする請求項3または4に記載のレーザ積層造形装置。
- レーザ光を回折光学素子に入射させる工程と、
ヘッドから照射領域に前記回折光学素子で光強度分布が変換されたレーザ光を照射する工程と、
前記ヘッドから前記照射領域に粉末材料を供給する工程と、
前記ヘッド及び被加工物を相対的に移動させる工程と、
を含み、
前記照射領域において、
照射光により、外周部の光強度が中央部の光強度より強くかつ前記中央部も所定の光強度を有する光強度分布を有する略円形スポットを形成し、
前記ヘッドから前記略円形スポット内に前記粉末材料を供給することを特徴とするレーザ積層方法。
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