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JP2017019018A - Processing nozzle, processing head, processing device, processing method and processing program - Google Patents

Processing nozzle, processing head, processing device, processing method and processing program Download PDF

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JP2017019018A
JP2017019018A JP2016165846A JP2016165846A JP2017019018A JP 2017019018 A JP2017019018 A JP 2017019018A JP 2016165846 A JP2016165846 A JP 2016165846A JP 2016165846 A JP2016165846 A JP 2016165846A JP 2017019018 A JP2017019018 A JP 2017019018A
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powder
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molten pool
machining
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Mitsuo Sasaki
光夫 佐々木
大野 博司
Hiroshi Ono
博司 大野
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Abstract

【課題】 エネルギー線を用いた加工に用いる粉体材料の供給を効率的に行なうことを課題とする。
【解決手段】 上記課題を解決するため、エネルギー線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、粉体射出手段を備えた加工ノズルを提供する。また、この加工ノズルは、そのような粉体射出手段によって形成される粉体スポットの形状を、造形条件に応じて変化させる、調整手段をさらに備えていることを特徴とする。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED To efficiently supply a powder material used for processing using an energy beam.
In order to solve the above problems, a processing nozzle having a powder injection means for injecting a powder material into a molten pool formed on a processing surface by an energy beam is provided. In addition, the processing nozzle further includes an adjusting unit that changes the shape of the powder spot formed by the powder injection unit according to the modeling conditions.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、加工ノズル、加工ヘッド、加工装置、加工方法および加工プログラムに関する。   The present invention relates to a machining nozzle, a machining head, a machining apparatus, a machining method, and a machining program.

上記技術分野において、特許文献1には、ノズルから射出されるレーザのスポット位置を微調整する機構を設けている。   In the above technical field, Patent Document 1 is provided with a mechanism for finely adjusting the spot position of the laser emitted from the nozzle.

特表2011−526211号公報Special table 2011-526211 gazette

しかしながら、上記文献に記載の技術では、高速になるに従いレーザ光で形成した溶融プールは進行方向の後方に位置し、前方方向に供給された紛体は溶融されず、粉体の供給を効率的に行なうことができなかった。   However, in the technique described in the above document, as the speed increases, the molten pool formed by the laser beam is positioned rearward in the traveling direction, and the powder supplied in the forward direction is not melted, and the powder supply is efficiently performed. I couldn't do it.

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。   The objective of this invention is providing the technique which solves the above-mentioned subject.

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工ノズルは、
エネルギー線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粉体射出手段と、
前記粉体射出手段によって形成される粉体スポットの形状を、造形条件に応じて変化させる調整手段と、
を備えた。
また、本発明にかかる加工ヘッドは、
上記加工ノズルと、
前記エネルギー線を集束させる集束装置と、
を含む。
さらに本発明に係る加工装置は、
前記加工ヘッドに前記紛体材料を供給する材料供給部と、
前記加工ノズルを制御し、前記紛体材料のスポット径を制御する制御部と、
を備えた。
In order to achieve the above object, a processing nozzle according to the present invention comprises:
A powder injection means for injecting a powder material to a molten pool formed on the processing surface by energy rays;
Adjusting means for changing the shape of the powder spot formed by the powder injection means according to the modeling conditions;
Equipped with.
Moreover, the processing head according to the present invention includes:
The processing nozzle;
A focusing device for focusing the energy beam;
including.
Furthermore, the processing apparatus according to the present invention provides:
A material supply unit for supplying the powder material to the processing head;
A control unit for controlling the processing nozzle and controlling a spot diameter of the powder material;
Equipped with.

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工方法は、
加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
造形条件に応じて前記紛体射出手段の機械的な構成を変化させ、紛体スポット形状を変化させるステップと、
を含む。
In order to achieve the above object, a processing method according to the present invention includes:
Irradiating energy rays on the processing surface to form a molten pool;
Injecting powder material from the powder injection means into the molten pool;
Moving a machining area on the machining surface;
Changing the mechanical configuration of the powder injection means according to modeling conditions, and changing the powder spot shape;
including.

上記目的を達成するため、本発明にかかる加工プログラムは、
加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
造形条件に応じて前記紛体射出手段の機械的な構成を変化させ、紛体スポット形状を変化させるステップと、
をコンピュータに実行させる。
In order to achieve the above object, a machining program according to the present invention includes:
Irradiating energy rays on the processing surface to form a molten pool;
Injecting powder material from the powder injection means into the molten pool;
Moving a machining area on the machining surface;
Changing the mechanical configuration of the powder injection means according to modeling conditions, and changing the powder spot shape;
Is executed on the computer.

本発明によれば、加工ノズルからの粉体の供給を効率的に行なうことができる。   According to the present invention, powder can be efficiently supplied from the processing nozzle.

本発明の第1実施形態に係る加工ノズルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the process nozzle which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る加工ノズルの構成および動作を示す簡略構成図である。It is a simple block diagram which shows the structure and operation | movement of a process nozzle which concern on 2nd Embodiment of this invention. 溶融プールの形状について説明するための温度分布図である。It is a temperature distribution figure for demonstrating the shape of a fusion pool. 溶融プールの形状について説明するための温度分布図である。It is a temperature distribution figure for demonstrating the shape of a fusion pool. 本発明の第2実施形態に係る加工ノズルの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the process nozzle which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the process nozzle which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。It is a bottom view which shows the structure of the process nozzle which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the process nozzle which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。It is a bottom view which shows the structure of the process nozzle which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the process nozzle which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。It is a bottom view which shows the structure of the process nozzle which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る加工ノズルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the process nozzle which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る加工ノズルの構成を示す底面図である。It is a bottom view which shows the structure of the process nozzle which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態に係る加工ノズルの構成および動作を示す簡略構成図である。It is a simplified lineblock diagram showing composition and operation of a processing nozzle concerning a 6th embodiment of the present invention. 本発明の第6実施形態に係る加工ノズルの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the process nozzle which concerns on 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る光加工装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the optical processing apparatus which concerns on 7th Embodiment of this invention.

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。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the components described in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the technical scope of the present invention only to them.

[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を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る加工ノズル100の概略構成図である。加工ノズル100は、エネルギー線110により加工面120上に形成された溶融プール121に向けて粉体材料130を射出させて加工を行なうためのノズルである。加工ノズル100は、粉体射出部101と、調整部102とを備える。
[First Embodiment]
A processing nozzle 100 as a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a processing nozzle 100 according to the present embodiment. The processing nozzle 100 is a nozzle for performing processing by injecting the powder material 130 toward the molten pool 121 formed on the processing surface 120 by the energy beam 110. The processing nozzle 100 includes a powder injection unit 101 and an adjustment unit 102.

粉体射出部101は、エネルギー線110によって加工面120上に形成された溶融プール121に対して粉体材料130を射出する。   The powder injection unit 101 injects the powder material 130 to the molten pool 121 formed on the processing surface 120 by the energy beam 110.

調整部102は、粉体射出部101によって形成される粉体材料の射出領域(スポット)の形状および/または位置を溶融プールの形状に合わせて調整する。   The adjustment unit 102 adjusts the shape and / or position of the injection region (spot) of the powder material formed by the powder injection unit 101 according to the shape of the molten pool.

エネルギー線110の線源としては、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。材料の溶融に使うエネルギー線はレーザ光に限るものではなく、加工面で加工材料を溶融することができるものであればどのようなエネルギー線でもよい。例えば電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などのエネルギー線であってもよい。   As a source of the energy beam 110, a laser light source is used here, but an LED, a halogen lamp, or a xenon lamp can be used. The energy beam used for melting the material is not limited to the laser beam, and any energy beam can be used as long as it can melt the processed material on the processed surface. For example, an energy beam such as an electron beam or an electromagnetic wave in a microwave to ultraviolet region may be used.

以上の構成によれば、造形条件を変更する場合にも、加工ノズルを交換する必要なく、溶融プールに合わせて粉体材料の射出領域を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。   According to the above configuration, even when the modeling conditions are changed, the injection region of the powder material can be changed in accordance with the molten pool without having to replace the processing nozzle. Efficiency can be improved.

[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200について、図2を用いて説明する。図2は、本実施形態に係る加工ノズル200の構成および動作を簡略的に説明するための図である。
[Second Embodiment]
Next, a processing nozzle 200 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for simply explaining the configuration and operation of the machining nozzle 200 according to the present embodiment.

加工ノズル200は、エネルギー線としてのレーザ光210により加工面220上に形成した溶融プール221に向けて粉体材料230を射出させて加工を行なうためのノズルである。加工ノズル200は、粉体射出部201と、調整部202とを備える。粉体射出部201は、レーザ光210が通過する光線経路を構成する内側筐体211と、内側筐体211と粉体材料230の流路としての間隙213を介して配置された外側筐体212と、を含む。   The processing nozzle 200 is a nozzle for performing processing by injecting the powder material 230 toward the molten pool 221 formed on the processing surface 220 by the laser beam 210 as an energy beam. The processing nozzle 200 includes a powder injection unit 201 and an adjustment unit 202. The powder injection unit 201 includes an inner casing 211 that forms a beam path through which the laser light 210 passes, and an outer casing 212 that is disposed via a gap 213 that serves as a flow path between the inner casing 211 and the powder material 230. And including.

内側筐体211は、筒状であって、レーザ光210が通過する経路を内部に備え、その一端からレーザ光210を射出する。内側筐体211の外面はレーザ光210の射出方向に向けて絞られている。外側筐体212も筒状であって、内側筐体211を内包し、内側筐体211から射出されるレーザ光210の射出方向に内面が絞られている。このような構造にすることで、粉体材料230を溶融プール221に向けて射出することができる。そして、内側筐体211の外面と外側筐体212の内面との間隙213が粉体材料230の射出口を形成し、調整部202により射出口の形状が変化する。なお、図2では、内側筐体211および外側筐体212の下流端が共に円錐筒形状として表わされているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、両方が多角錐筒形状であってもよい。また、内側筐体211が円筒形状で、外側筐体212の下流端のみが円錐筒形状であってもよい。   The inner casing 211 has a cylindrical shape and has a path through which the laser beam 210 passes, and emits the laser beam 210 from one end thereof. The outer surface of the inner casing 211 is narrowed toward the direction in which the laser light 210 is emitted. The outer casing 212 is also cylindrical and includes the inner casing 211, and the inner surface is narrowed in the emission direction of the laser light 210 emitted from the inner casing 211. With such a structure, the powder material 230 can be injected toward the molten pool 221. The gap 213 between the outer surface of the inner housing 211 and the inner surface of the outer housing 212 forms an injection port for the powder material 230, and the shape of the injection port is changed by the adjusting unit 202. In FIG. 2, the downstream ends of the inner casing 211 and the outer casing 212 are both represented as conical cylinder shapes, but the present invention is not limited to this. For example, both may have a polygonal pyramid shape. Further, the inner casing 211 may be cylindrical and only the downstream end of the outer casing 212 may be conical.

調整部202は、内側筐体211と外側筐体212の相対的な位置を調整する。ここでは、調整部202は、内側筐体211と外側筐体212の相対的な水平方向位置(レーザ光210と垂直をなす平面上の位置)を調整する。特に、移動方向222の逆方向に外側筐体212のみを水平移動(スライド)させることにより、図2の左側の状態から右側の状態へ遷移させる。これにより、溶融プール221において、レーザ光210よりも移動方向下流側に対して射出される粉体材料231の量が、移動方向上流側に対して射出される粉体材料232よりも多くなる。つまり、調整部202は、粉体射出部201によって形成される粉体スポットの形状および/または位置を加工面220上における溶融プール221の移動方向222に応じて調整する。   The adjustment unit 202 adjusts the relative positions of the inner casing 211 and the outer casing 212. Here, the adjustment unit 202 adjusts the relative horizontal position of the inner casing 211 and the outer casing 212 (a position on a plane perpendicular to the laser beam 210). In particular, only the outer casing 212 is horizontally moved (slided) in the direction opposite to the moving direction 222 to make a transition from the left state in FIG. 2 to the right state. Thereby, in the molten pool 221, the amount of the powder material 231 injected toward the downstream side in the movement direction from the laser beam 210 is larger than that of the powder material 232 injected toward the upstream side in the movement direction. That is, the adjustment unit 202 adjusts the shape and / or position of the powder spot formed by the powder injection unit 201 according to the moving direction 222 of the molten pool 221 on the processing surface 220.

図3、図4に溶融プールの温度分布を示す。図3において横方向が移動方向(走査方向)であり、縦方向が移動方向と直交するY方向(副走査方向)である。図4において横方向が移動方向(走査方向)であり、縦方向が加工面と直交する方向(Z方向)である。原点(0,0)がレーザ光のスポットである。この温度分布を見れば、移動方向下流側に向けて溶融プールが広がっていることが分かる。したがって、粉体材料も、移動方向上流側よりも下流側に多く射出すべきということが分かる。   3 and 4 show the temperature distribution of the molten pool. In FIG. 3, the horizontal direction is the moving direction (scanning direction), and the vertical direction is the Y direction (sub-scanning direction) orthogonal to the moving direction. In FIG. 4, the horizontal direction is the moving direction (scanning direction), and the vertical direction is the direction (Z direction) orthogonal to the processing surface. The origin (0, 0) is the laser beam spot. From this temperature distribution, it can be seen that the molten pool spreads toward the downstream side in the moving direction. Therefore, it can be seen that the powder material should also be injected more downstream than the upstream side in the moving direction.

図5を用いて、加工ノズル200のより具体的な構成について説明する。図5に示すように、加工ノズル200は、調整部202として、X方向駆動部521と、Y方向駆動部522と、それらの駆動部を駆動するドライバ523と、ドライバ523を制御するコントローラ524と溶融プール221の形状を検出する検出部525とを含む。検出部525は、例えば、加工面220を撮像する撮像手段であり、撮像した画像から、溶融プール221の形状を検出する。コントローラ524は、検出した溶融プール221の形状に合わせて、ドライバ523に対して、外側筐体212の移動を指示する。ドライバ523は、コントローラ524から受けた指示に応じて、X方向駆動部521およびY方向駆動部522に駆動コマンドを送信する。このようにして、内側筐体211に対する外側筐体212の水平方向位置を変化させ、粉体スポットの形状および/または位置を調整する。   A more specific configuration of the processing nozzle 200 will be described with reference to FIG. As illustrated in FIG. 5, the processing nozzle 200 includes, as the adjustment unit 202, an X direction driving unit 521, a Y direction driving unit 522, a driver 523 that drives these driving units, and a controller 524 that controls the driver 523. And a detection unit 525 that detects the shape of the molten pool 221. The detecting unit 525 is, for example, an imaging unit that images the processed surface 220 and detects the shape of the molten pool 221 from the captured image. The controller 524 instructs the driver 523 to move the outer casing 212 in accordance with the detected shape of the molten pool 221. The driver 523 transmits a drive command to the X direction drive unit 521 and the Y direction drive unit 522 in accordance with an instruction received from the controller 524. In this way, the horizontal position of the outer casing 212 with respect to the inner casing 211 is changed to adjust the shape and / or position of the powder spot.

図6は、加工ノズル200の機械的な構成を示す縦断面図である。図7は、加工ノズル200の底面図である。加工ノズル200は、筐体ホルダ601に固定されたノズルホルダ602に取り付けられる。外側筐体212には、材料供給部606が設けられている。内側筐体211は、ノズルホルダ602に固定され、外側筐体212は、XYステージ603上において、内側筐体211に対して、水平方向に移動可能である。また、この図では、調整部202として、駆動モータ609を備えている。また、外側筐体212の上端には、シール607が取り付けられており、外側筐体212が水平方向に移動しても、内側筐体211との隙間から粉体材料が漏れないように構成されている。   FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a mechanical configuration of the processing nozzle 200. FIG. 7 is a bottom view of the processing nozzle 200. The processing nozzle 200 is attached to a nozzle holder 602 fixed to the housing holder 601. The outer casing 212 is provided with a material supply unit 606. The inner casing 211 is fixed to the nozzle holder 602, and the outer casing 212 is movable in the horizontal direction with respect to the inner casing 211 on the XY stage 603. In this figure, a drive motor 609 is provided as the adjustment unit 202. In addition, a seal 607 is attached to the upper end of the outer casing 212 so that the powder material does not leak from the gap with the inner casing 211 even when the outer casing 212 moves in the horizontal direction. ing.

図7に示すように、加工ノズル200は、X軸方向用の駆動モータ711とY軸方向用の駆動モータ712を備えている。駆動モータ711、712は、XYステージ603を移動させ、内側筐体211と外側筐体212との空間(ノズル隙間)を変位させることで紛体材料の流れを変化させる。つまり、変化する走査方向に対して追従して、コントローラ524の指示値のもとにXY方向に外側筐体212を変位できる。   As shown in FIG. 7, the machining nozzle 200 includes a drive motor 711 for the X-axis direction and a drive motor 712 for the Y-axis direction. The drive motors 711 and 712 change the flow of the powder material by moving the XY stage 603 and displacing the space (nozzle gap) between the inner casing 211 and the outer casing 212. That is, the outer casing 212 can be displaced in the XY directions based on the instruction value of the controller 524 following the changing scanning direction.

加工ノズル200の底面には、レーザ光の射出口713と粉体材料の射出口714が表われる。レーザ光の射出口713は、内側筐体211の下流側端部開口であり、粉体材料の射出口714は、内側筐体211の下流側端部の外周縁と、外側筐体212の下流側端部の内周縁との間隙である。   On the bottom surface of the processing nozzle 200, a laser beam injection port 713 and a powder material injection port 714 appear. The laser beam injection port 713 is a downstream end opening of the inner casing 211, and the powder material injection port 714 is an outer peripheral edge of the downstream end portion of the inner casing 211 and a downstream side of the outer casing 212. It is a gap with the inner periphery of the side end.

X軸方向用の駆動モータ711とY軸方向用の駆動モータ712が内側筐体211に対する外側筐体212の水平方向位置を変更することにより、粉体材料の射出口714の形状・位置が変化し、これに応じて粉体スポットの形状も変化する。例えば図7のように、内側筐体211と外側筐体212とが同心円に配置された状態(上図)と、ずれた状態(下図)との間で状態が遷移する。   The X-axis direction drive motor 711 and the Y-axis direction drive motor 712 change the horizontal position of the outer casing 212 relative to the inner casing 211, thereby changing the shape and position of the powder material injection port 714. In accordance with this, the shape of the powder spot also changes. For example, as shown in FIG. 7, the state transitions between a state where the inner casing 211 and the outer casing 212 are arranged concentrically (upper figure) and a shifted state (lower figure).

以上、本実施形態によれば、造形条件を変更する場合にも、加工ノズルを交換する必要なく、溶融プールに合わせて粉体材料の射出領域を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, even when the modeling condition is changed, the injection region of the powder material can be changed in accordance with the molten pool without the need to replace the processing nozzle, and thus the processing accuracy and material can be changed. The utilization efficiency can be improved.

[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800について、図8、図9を用いて説明する。図8は、本実施形態に係る加工ノズル800の構成を説明するための縦断面図である。図9は、加工ノズル800の底面図である。本実施形態に係る加工ノズル800は、上記第2実施形態と比べると、外側筐体212とは異なる形状の外側筐体812を有し、駆動モータ609により、内側筐体211を水平方向に移動させる点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成およ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。
[Third Embodiment]
Next, a machining nozzle 800 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the machining nozzle 800 according to the present embodiment. FIG. 9 is a bottom view of the processing nozzle 800. The processing nozzle 800 according to the present embodiment has an outer casing 812 having a shape different from that of the outer casing 212 as compared to the second embodiment, and the inner casing 211 is moved in the horizontal direction by the drive motor 609. It is different in letting you. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態によれば、外側筐体812を固定して内側筐体211を水平方向に移動させたので、第2実施形態に比べて、材料供給部606の構成を簡易化することができる。   According to the present embodiment, since the outer casing 812 is fixed and the inner casing 211 is moved in the horizontal direction, the configuration of the material supply unit 606 can be simplified compared to the second embodiment.

[第4実施形態]
次に本発明の第4実施形態に係る加工ノズル1000について、図10、図11を用いて説明する。図10は、本実施形態に係る加工ノズル1000の構成を説明するための縦断面図である。図11は、加工ノズル1000の底面図である。本実施形態に係る加工ノズル1000は、上記第2実施形態と比べると、駆動モータ711、712の代わりに4つのピエゾ素子1001〜1004とピエゾドライバ1023とを有する点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成およ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。
[Fourth Embodiment]
Next, a processing nozzle 1000 according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the machining nozzle 1000 according to this embodiment. FIG. 11 is a bottom view of the processing nozzle 1000. The processing nozzle 1000 according to the present embodiment differs from the second embodiment in that it has four piezoelectric elements 1001 to 1004 and a piezoelectric driver 1023 instead of the drive motors 711 and 712. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態によれば、調整部として、駆動モータの代わりにピエゾ素子1001〜1004を用いたので、第2実施形態に比べて、粉体材料の射出領域の変化の応答性を高めることができる。   According to the present embodiment, since the piezo elements 1001 to 1004 are used as the adjustment unit instead of the drive motor, the responsiveness of the change in the injection region of the powder material can be improved as compared with the second embodiment. .

[第5実施形態]
次に本発明の第5実施形態に係る加工ノズル1200について、図12を用いて説明する。図12は、本実施形態に係る加工ノズル1200の構成を説明するための縦断面図である。本実施形態に係る加工ノズル1200は、上記第4実施形態と比べると、ピエゾ素子1201、1202を用いて内側筐体211を移動させる点で異なる。その他の構成および動作は、第4実施形態と同様であるため、同じ構成およ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。
[Fifth Embodiment]
Next, a machining nozzle 1200 according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the machining nozzle 1200 according to this embodiment. The processing nozzle 1200 according to the present embodiment is different from the fourth embodiment in that the inner casing 211 is moved using the piezo elements 1201 and 1202. Since other configurations and operations are the same as those in the fourth embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態によれば、外側筐体812を固定してピエゾ素子1201,1202を用いて内側筐体211を移動させたので、第2実施形態に比べて、粉体材料の射出領域の変化の応答性を高めつつ、粉体供給部606の構成を簡易化することができる。   According to the present embodiment, since the outer casing 812 is fixed and the inner casing 211 is moved using the piezo elements 1201 and 1202, the change in the injection region of the powder material compared to the second embodiment. The structure of the powder supply unit 606 can be simplified while improving the responsiveness.

[第6実施形態]
次に本発明の第6実施形態に係る加工ノズル1300について、図13乃至図15を用いて説明する。図13は、本実施形態に係る加工ノズル1300の構成を説明するための縦断面図である。本実施形態に係る加工ノズル1300は、上記第2実施形態と比べると、内側筐体211の軸と外側筐体212の軸とが為す相対的な角度が変わることで、粉体射出口の形状が変わり、ひいては粉体スポットの形状が変わる点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成およ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。
[Sixth Embodiment]
Next, a machining nozzle 1300 according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the processing nozzle 1300 according to the present embodiment. Compared with the second embodiment, the processing nozzle 1300 according to the present embodiment changes the relative angle formed by the axis of the inner casing 211 and the axis of the outer casing 212, thereby changing the shape of the powder injection port. Is different, and as a result, the shape of the powder spot is different. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same configurations and operations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図13は、本実施形態に係る加工ノズル1300の構成および動作を簡略的に説明するための図である。   FIG. 13 is a diagram for simply explaining the configuration and operation of the machining nozzle 1300 according to the present embodiment.

加工ノズル1300は、エネルギー線としてのレーザ光210により加工面220上に形成した溶融プール221に向けて、粉体材料230を射出させて加工を行なうためのノズルである。加工ノズル200は、粉体射出部1301と、調整部1302とを備える。   The processing nozzle 1300 is a nozzle for performing processing by injecting the powder material 230 toward the molten pool 221 formed on the processing surface 220 by the laser beam 210 as an energy beam. The processing nozzle 200 includes a powder injection unit 1301 and an adjustment unit 1302.

粉体射出部1301は、レーザ光210が通過する光線経路を構成する内側筐体211と、内側筐体211と間隙213を介して配置された外側筐体1312と、を含む。   The powder injection unit 1301 includes an inner casing 211 that constitutes a light path through which the laser beam 210 passes, and an outer casing 1312 that is disposed via the inner casing 211 and the gap 213.

外側筐体1312も筒状であって、内側筐体211を内包し、内側筐体211から射出されるレーザ光210の射出方向に内面が絞られている。そして、内側筐体211の外面と外側筐体1312の内面との間隙が粉体材料230の射出口を形成し、調整部1302により射出口の形状が変化する。   The outer casing 1312 is also cylindrical and includes the inner casing 211, and the inner surface is narrowed in the emission direction of the laser light 210 emitted from the inner casing 211. The gap between the outer surface of the inner casing 211 and the inner surface of the outer casing 1312 forms an injection port for the powder material 230, and the shape of the injection port is changed by the adjusting unit 1302.

調整部1302は、内側筐体211と外側筐体1312の相対的な位置を調整する。ここでは、調整部1302は、内側筐体211と外側筐体1312の相対的な角度を調整する。特に、移動方向222に対して逆方向に外側筐体1312のみを傾斜させることにより、図2の左側の状態から右側の状態へ遷移させる。これにより、溶融プール221において、レーザ光210よりも移動方向下流側に対して射出される粉体材料231の量が、移動方向上流側に対して射出される粉体材料232よりも多くなる。つまり、調整部1302は、粉体射出部1301によって形成される粉体スポットの形状および/または位置を加工面220上における溶融プール221の移動方向222に応じて調整する。   The adjustment unit 1302 adjusts the relative positions of the inner casing 211 and the outer casing 1312. Here, the adjustment unit 1302 adjusts the relative angle between the inner casing 211 and the outer casing 1312. In particular, by tilting only the outer casing 1312 in the opposite direction with respect to the moving direction 222, the state is shifted from the left side state in FIG. 2 to the right side state. Thereby, in the molten pool 221, the amount of the powder material 231 injected toward the downstream side in the movement direction from the laser beam 210 is larger than that of the powder material 232 injected toward the upstream side in the movement direction. That is, the adjustment unit 1302 adjusts the shape and / or position of the powder spot formed by the powder injection unit 1301 according to the moving direction 222 of the molten pool 221 on the processing surface 220.

図14を用いて、加工ノズル200のより具体的な構成について説明する。図14に示すように、加工ノズル1300は、調整部1302として、Z方向駆動部1401〜1404と、それらの駆動部を駆動するドライバ1423と、ドライバ1423を制御するコントローラ1424とを含む。このようにして、内側筐体211に対する外側筐体1312の角度を変化させ、粉体スポットの形状および/または位置を調整する。   A more specific configuration of the processing nozzle 200 will be described with reference to FIG. As illustrated in FIG. 14, the processing nozzle 1300 includes, as the adjustment unit 1302, Z-direction drive units 1401 to 1404, a driver 1423 that drives these drive units, and a controller 1424 that controls the driver 1423. In this way, the angle of the outer casing 1312 with respect to the inner casing 211 is changed to adjust the shape and / or position of the powder spot.

図15は、加工ノズル1300の機械的な構成を示す縦断面図である。内側筐体211は、ノズルホルダ602に固定され、外側筐体1312は、内側筐体211に対して、Z方向駆動部1401〜1404により、Z方向に変位可能であり、結果として、内側筐体211に対して傾斜することができる。ここでは、Z方向駆動部の例として、4つのピエゾ素子を備えている。また、外側筐体1312の上端には、シール607が取り付けられており、外側筐体1312が傾斜しても、内側筐体211との隙間から粉体材料が漏れないように構成されている。   FIG. 15 is a longitudinal sectional view showing a mechanical configuration of the processing nozzle 1300. The inner casing 211 is fixed to the nozzle holder 602, and the outer casing 1312 can be displaced in the Z direction by the Z direction drive units 1401 to 1404 with respect to the inner casing 211, and as a result, the inner casing It can be inclined with respect to 211. Here, four piezoelectric elements are provided as an example of the Z-direction drive unit. A seal 607 is attached to the upper end of the outer casing 1312 so that the powder material does not leak from the gap with the inner casing 211 even when the outer casing 1312 is inclined.

本実施形態によれば、内側筐体211に対して外側筐体1312を傾斜させることにより、粉体射出部1301によって形成される粉体スポットの形状および/または位置を加工面220上における溶融プール221の移動方向222に応じて調整した。これにより、第2実施形態と同様に、溶融プールに合わせて粉体材料の射出領域を変化させることができ、ひいては、加工精度および材料の利用効率を向上させることができる。   According to the present embodiment, the shape and / or position of the powder spot formed by the powder injection unit 1301 is changed on the processing surface 220 by inclining the outer casing 1312 with respect to the inner casing 211. Adjustment was made according to the moving direction 222 of 221. Thereby, similarly to 2nd Embodiment, the injection area | region of powder material can be changed according to a fusion | melting pool, and a process precision and the utilization efficiency of material can be improved by extension.

[第7実施形態]
本発明の第7実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)について、図16を用いて説明する。光加工装置1600は、上述の実施形態で説明した加工ノズル100、200、800、1000、1200、1400のいずれかを含み、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。ここでは一例として、加工ノズル200を備えた光加工装置1600について説明する。
[Seventh Embodiment]
An optical machining apparatus as a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The optical processing apparatus 1600 includes any one of the processing nozzles 100, 200, 800, 1000, 1200, and 1400 described in the above-described embodiment, and three-dimensionally melts the material with heat generated by the collected light. It is an apparatus that generates a modeled object (or overlay welding). Here, as an example, an optical processing apparatus 1600 including the processing nozzle 200 will be described.

《装置構成》
光加工装置1600は、光源1601、光伝送部1615、ステージ1605、材料収容装置1606、材料供給部1630、加工ヘッド1608および制御部1607を備えている。
"Device configuration"
The optical processing apparatus 1600 includes a light source 1601, an optical transmission unit 1615, a stage 1605, a material storage device 1606, a material supply unit 1630, a processing head 1608, and a control unit 1607.

光源1601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。材料の溶融に使うエネルギー線はレーザ光に限るものではなく、加工面で粉体材料を溶融することができるものであればどのようなエネルギー線でもよい。例えば電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などのエネルギー線であってもよい。   Here, a laser light source is used as the light source 1601, but an LED, a halogen lamp, or a xenon lamp can be used. The energy beam used for melting the material is not limited to the laser beam, and any energy beam can be used as long as the powder material can be melted on the processed surface. For example, an energy beam such as an electron beam or an electromagnetic wave in a microwave to ultraviolet region may be used.

光伝送部1615は、例えばコア径がφ0.01〜1mmの光ファイバであり、光源1601で発生した光を加工ヘッド1608に導く。   The optical transmission unit 1615 is an optical fiber having a core diameter of φ0.01 to 1 mm, for example, and guides light generated by the light source 1601 to the processing head 1608.

ステージ1605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。XYXの各軸は駆動することが可能である。   The stage 1605 is an X stage, an XY stage, or an XYZ stage. Each axis of XYX can be driven.

材料収容装置1606は、加工ヘッド1608に対し、材料供給部606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、でよい。材料供給部606は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流を加工ノズル200へと導く。ただし、材料が線材の場合は、キャリアガスは不要となる。   The material container 1606 supplies a carrier gas containing a material to the processing head 1608 via the material supply unit 606. For example, the material is particles such as metal particles and resin particles. The carrier gas is an inert gas, and may be, for example, argon gas, nitrogen gas, or helium gas. The material supply unit 606 is, for example, a resin or metal hose, and guides the powder flow in which the material is mixed into the carrier gas to the processing nozzle 200. However, when the material is a wire, no carrier gas is required.

加工ヘッド1608は、エネルギー線としての光を集束させる集束装置を内部に備え、その集束装置の下流に、加工ノズル200が取り付けられている。加工ヘッド1608に供給されたレーザ光は、内部に設けられたレンズ等からなる光学系を介することで、加工面220において集光するように調整されている。光学系は、レンズ間隔等を制御することで、集光位置を制御可能に設けられている。   The processing head 1608 includes therein a focusing device that focuses light as energy rays, and a processing nozzle 200 is attached downstream of the focusing device. The laser beam supplied to the processing head 1608 is adjusted so as to be condensed on the processing surface 220 through an optical system including an internal lens or the like. The optical system is provided so as to be able to control the condensing position by controlling the lens interval and the like.

また図示はしていないが、光加工装置1600は、加工ヘッド1608の姿勢および位置を制御する姿勢制御機構および位置制御機構を備えてもよく、その場合、加工ヘッド1608の姿勢および位置を変えて、加工面上の加工領域を移動させる。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、加工ヘッド1608を固定しつつ、ステージ1605の姿勢および位置を変えて、加工面上の加工領域を移動させてもよい。   Although not shown, the optical processing apparatus 1600 may include an attitude control mechanism and a position control mechanism for controlling the attitude and position of the machining head 1608. In this case, the attitude and position of the machining head 1608 are changed. The processing area on the processing surface is moved. However, the present invention is not limited to this, and the processing area on the processing surface may be moved by changing the posture and position of the stage 1605 while fixing the processing head 1608.

コントローラ524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1601からのレーザ光の出力値、加工ヘッド1608の位置および向き、ステージ1605の位置などを変更すると共に、加工ノズル200の機械的な構成を変化させ、粉体スポット形状を変化させる。これにより、加工ノズル200から射出される粉体材料による粉体スポット径を溶融プール径に合わせて制御することができる。   The controller 524 inputs modeling conditions such as fine writing / bold writing and the shape of the modeled object, the output value of the laser light from the light source 1601, the position and orientation of the processing head 1608, the stage 1605 of the stage 1605 according to the input modeling conditions. While changing a position etc., the mechanical structure of the process nozzle 200 is changed, and a powder spot shape is changed. Thereby, the powder spot diameter by the powder material inject | emitted from the process nozzle 200 can be controlled according to a molten pool diameter.

《装置動作》
次に、光加工装置1600の動作について説明する。造形物1610は、ステージ1605の上で作成される。加工ヘッド1608から射出される射出光は、造形物1610上の加工面220において集光される。加工面220は、集光によって昇温され、溶融され、一部に溶融プールを形成する。
<Device operation>
Next, the operation of the optical processing apparatus 1600 will be described. The modeled object 1610 is created on the stage 1605. Light emitted from the processing head 1608 is collected on the processing surface 220 on the modeled object 1610. The processing surface 220 is heated and condensed by light collection to form a molten pool in part.

材料は加工ノズル200から加工面220の溶融プール221へと射出される。そして、溶融プール221に材料が溶け込む。その後、溶融プール221が冷却され、固化することで加工面220に材料が堆積され、3次元造形が実現する。   Material is injected from the processing nozzle 200 into the molten pool 221 of the processing surface 220. Then, the material melts into the molten pool 221. Thereafter, the molten pool 221 is cooled and solidified, whereby a material is deposited on the processed surface 220, and three-dimensional modeling is realized.

以上の構成によれば、溶融プールの形状に合わせて粉体材料のスポット位置および形状を制御し、粉体射出の調整を行うことができる。したがって、溶融領域に効率よく粉体材料を供給できる。   According to the above configuration, it is possible to adjust the powder injection by controlling the spot position and shape of the powder material in accordance with the shape of the molten pool. Therefore, the powder material can be efficiently supplied to the melting region.

[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。
[Other Embodiments]
While the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. In addition, a system or an apparatus in which different features included in each embodiment are combined in any way is also included in the scope of the present invention.

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるWWW(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)は本発明の範疇に含まれる。   In addition, the present invention may be applied to a system composed of a plurality of devices, or may be applied to a single device. Furthermore, the present invention can also be applied to a case where an information processing program that implements the functions of the embodiments is supplied directly or remotely to a system or apparatus. Therefore, in order to realize the functions of the present invention on a computer, a program installed in the computer, a medium storing the program, and a WWW (World Wide Web) server that downloads the program are also included in the scope of the present invention. . In particular, at least a non-transitory computer readable medium storing a program for causing a computer to execute the processing steps included in the above-described embodiments is included in the scope of the present invention.

Claims (8)

エネルギー線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粉体射出手段と、
前記粉体射出手段によって形成される粉体スポットの形状を、造形条件に応じて変化させる調整手段と、
を備えた加工ノズル。
A powder injection means for injecting a powder material to a molten pool formed on the processing surface by energy rays;
Adjusting means for changing the shape of the powder spot formed by the powder injection means according to the modeling conditions;
A processing nozzle with
前記調整手段は、前記加工面上における前記溶融プールの移動方向に応じて、前記粉体射出手段によって形成される前記粉体スポットの形状を調整する請求項1に記載の加工ノズル。   The processing nozzle according to claim 1, wherein the adjusting unit adjusts a shape of the powder spot formed by the powder injection unit according to a moving direction of the molten pool on the processing surface. 前記紛体射出手段は、
前記エネルギー線が通過するエネルギー線経路を構成する内側筐体と、
前記内側筐体と前記紛体材料の流路としての間隙を介して配置された外側筐体と、
を含み、
前記調整手段は、前記内側筐体と前記外側筐体の相対的な位置を調整する請求項1あるいは2に記載の加工ノズル。
The powder injection means is
An inner housing constituting an energy beam path through which the energy beam passes;
An outer casing disposed via a gap as a flow path for the inner casing and the powder material;
Including
The processing nozzle according to claim 1, wherein the adjustment unit adjusts a relative position between the inner casing and the outer casing.
前記調整手段は、前記内側筐体と前記外側筐体の相対的な水平方向位置を調整する請求項3に記載の加工ノズル。   The processing nozzle according to claim 3, wherein the adjusting unit adjusts a relative horizontal position of the inner casing and the outer casing. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の加工ノズルと、
前記エネルギー線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。
The processing nozzle according to any one of claims 1 to 4,
A focusing device for focusing the energy beam;
A processing head comprising:
請求項5に記載の加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに前記紛体材料を供給する材料供給部と、
前記加工ノズルを制御し、前記紛体材料のスポット径を制御する制御部と、
を備えた加工装置。
A machining head according to claim 5;
A material supply unit for supplying the powder material to the processing head;
A control unit for controlling the processing nozzle and controlling a spot diameter of the powder material;
A processing device with
加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
造形条件に応じて前記紛体射出手段の機械的な構成を変化させ、紛体スポット形状を変化させるステップと、
を含む加工方法。
Irradiating energy rays on the processing surface to form a molten pool;
Injecting powder material from the powder injection means into the molten pool;
Moving a machining area on the machining surface;
Changing the mechanical configuration of the powder injection means according to modeling conditions, and changing the powder spot shape;
A processing method including:
加工面上にエネルギー線を照射し溶融プールを形成するステップと、
紛体射出手段から前記溶融プールに紛体材料を射出するステップと、
前記加工面上の加工領域を移動させるステップと、
造形条件に応じて前記紛体射出手段の機械的な構成を変化させ、紛体スポット形状を変化させるステップと、
をコンピュータに実行させる加工プログラム。
Irradiating energy rays on the processing surface to form a molten pool;
Injecting powder material from the powder injection means into the molten pool;
Moving a machining area on the machining surface;
Changing the mechanical configuration of the powder injection means according to modeling conditions, and changing the powder spot shape;
Machining program that makes a computer execute.
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