JP2007301980A - レーザ積層方法およびレーザ積層装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 積層中心位置の近傍、かつ、前記積層中心位置に対して横方向に所定の偏心量をもった積層偏心位置にレーザ光とパウダー状の添加物を位置させて積層を行い、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層中心位置に対して前記横方向とは反対方向に所定の偏心量をもった積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダー状の添加物を位置させて積層を行い、これら積層を交互に行うレーザ積層方法およびレーザ積層装置に関する。
【解決手段】 積層中心位置１に対して横方向に偏心量△Ｌをもった積層偏心位置２にレーザ光とパウダーを位置させ１層目積層１０１を積層し、次に前記積層中心位置１に対して前記横方向と反対方向に偏心量△Ｌをもった積層偏心位置２にレーザ光とパウダーを位置させ２層目積層１０２を積層し、これら積層を交互に行うレーザ積層方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層線の積層中心位置付近に沿ってパウダー状の添加物を供給し、前記パウダー状の添加物をレーザ光及び／またはその溶融池で溶融し、前記積層中心位置付近に沿った溶融を複数回行うことで多層状に積層するレーザ積層方法およびレーザ積層装置に関するものである。

レーザ熱源は、その光が細く絞られ高いパワー密度が得られることから、溶接分野のみではなく、レーザ積層造形分野にも使用されている。その時、添加材としてフィラーワイヤを使用するものがあるが、レーザの集光径が細い場合、レーザが照射された場所にフィラーワイヤを正確に供給して、それを溶融させることは困難であった。

この課題を解決するために、フィラーワイヤの代わりに、粉末を使用する方法が提案されていた（例えば、非特許文献１参照）。

この場合には、粉末をいかに安定に供給するかは重要とされていた。例えばパウダーを供給するノズルの工夫から粉末を安定に供給する方法があった（例えば、特許文献１参照）。

実際の積層では、様々な変動要因があり、粉末の供給を安定にするだけでは、安定な積層を行うには足らなかった。

この課題を解決するために、例えば積層の高さをセンシングして、そのセンシング信号に応じて積層高さを均一にする方法が提案されていた（例えば、特許文献２参照）。
丸谷洋二、ラピッドプロトタイピングの最新動向、レーザー研究、第２４巻、第４号、２７〜３４頁 特開平４−８４６８４号公報 特開平１１−３４７７６１号公報

しかし、積層の高さをセンシングして、そのセンシング信号に応じて積層高さを均一にする方法では、積層の高さをセンシングするためのセンサーが必要なため、装置の価格が高くなるのみではなく、装置構成が複雑になる新たな課題があった。

上記課題を解決するために、本発明は積層線の積層中心位置付近に沿ってパウダーを供給し、前記パウダーをレーザ光及び／またはレーザ光で形成した溶融池で溶融し、前記積層中心位置付近に沿った溶融を複数回行うことで多層状に積層するレーザ積層方法であって、
前記積層中心位置の近傍、かつ、前記積層中心位置に対して横方向に所定の偏心量をもった第１の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダーを位置させて積層を行い、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層中心位置に対して前記第１の積層偏心位置とは反対方向に所定の偏心量をもった第２の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダーを位置させて積層を行い、これら第１の積層偏心位置での前記パウダーの溶融と第２の積層偏心位置での前記パウダーの溶融を交互に行うレーザ積層方法である。

また、本発明は積層線の積層中心位置付近に沿ってパウダーを供給し、前記パウダーをレーザ光及び／またはレーザ光で形成した溶融池で溶融し、前記積層中心位置付近に沿った溶融を複数回行うことで多層状に積層するレーザ積層装置であって、
パウダーを供給するパウダー供給装置と、前記パウダーを溶融するレーザ光を発生するレーザ装置と、前記パウダーと前記レーザ光とを被積層物の積層中心位置付近に導入するレーザヘッドと、前記レーザヘッドを取り付け、それを移動させるための移動装置と、前記移動装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、積層中心位置の近傍、かつ、前記積層中心位置に対して横方向に所定の偏心量をもった第１の積層偏心位置に前記レーザヘッドが位置するように前記移動装置を制御し、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層中心位置に対して前記第１の積層偏心位置とは反対方向に所定の偏心量をもった第２の積層偏心位置に前記レーザヘッドが位置するように前記移動装置を制御し、これら第１の積層偏心位置での前記パウダーの溶融と第２の積層偏心位置での前記パウダーの溶融を交互に行うことを特徴とするレーザ積層装置である。

以上のように本発明は、前記積層中心位置の近傍、かつ、前記積層線に対して横方向に所定の偏心量をもった第１の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダーを位置させて積層を行い、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層線に対して前記第１の積層偏心位置とは反対方向に所定の偏心量をもった第２の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダーを位置させて積層を行い、これら第１の積層偏心位置での前記パウダーの溶融と第２の積層偏心位置での前記パウダーの溶融を交互に行うことによって積層の幅および高さを均一にすることができる。

以下、本発明におけるレーザ積層方法とレーザ積層装置について図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるレーザ積層方法による積層物の断面を示す模式図である。

１は、被積層物４に積層物を作ろうとする位置の中心を示す積層中心位置である。２と３とは、それぞれ前記積層中心位置１に対して所定の偏心量、△Ｌを持つ第１と第２の積層偏心位置であり、それぞれ前記積層中心位置１の両側に位置する。１０１は、前記積層偏心位置２を中心に第１回目の積層を行った場合の１層目積層である。１０２は、前記積層偏心位置３を中心に第２回目の積層を行った場合の２層目積層である。１０３と１０４とは、前記１層目積層１０１と前記２層目積層１０２と同様の方法で積層したものであり、それぞれ３層目積層と４層目積層である。Ｗは、作ろうとする積層物の目標とする積層幅を示す目標積層幅であり、Ｗ_０は各々の積層を行った場合の各層の積層幅を示す各層積層幅である。通常、目標積層幅Ｗは、各層積層幅Ｗ_０よりやや大きい値となっている。前記積層物の全体は図示していないが、その各々の断面は図１に示した通りである。また、前記積層物では、各々の断面における前記積層中心位置１（直線）のなす軌跡は前記積層物の中心であり、それは平面でもよく、曲面でもよい。以下の説明では、前記軌跡（平面あるいは曲面）と前記被積層物４の表面とが交差して作る線のことを積層線と呼ぶ。言うまでもなく、それは直線でもよく、曲線でもよい。このことは、実施の形態１以降の実施の形態においても共通のことであり、その説明を省略する。

以上に示す本発明のレーザ積層方法の詳細方法について、図１を参照しつつ説明する。前記被積層物４における前記積層中心位置１に積層物を作ろうとする場合、まず、前記積層偏心位置２において、第１回目の積層である１層目積層１０１の積層を行う。その後、前記積層偏心位置３において、第２回目の積層である２層目積層１０２の積層を行う。そ
の後、順次３層目積層１０３および４層目積層１０４の積層を行い、以上のプロセスを繰り返すことによって積層物を作っていく。その結果、各々の積層では前記各層積層幅Ｗ_０の積層を得ることができ、最終的には目標とする前記目標積層幅Ｗの積層物を得ることができる。

以上に示す本発明のレーザ積層方法の効果について、図９を参照しつつ説明する。図９は従来のレーザ積層方法を示す模式図である。なお、図１に示す模式図と同一の機能、同一の動作のものに同一の記号を付し、その説明を省略する。５０１は、積層中心位置１を中心に第１回目の積層を行った場合の１層目積層である。５０２ａは、前記１層目積層５０１の上で積層中心位置１を中心に第２回目の積層を行う場合の溶融池である。５０２ｂと５０２ｃとは、前記溶融池５０２ａが固まる前に、ランダムに振動した時の溶融池である。図示の通り、前記溶融池５０２ｂと前記溶融池５０２ｃとに対応する溶融池の中心は、前記溶融池５０２ａから見ては偏心位置であり、それぞれ５と６とで示される。言うまでもなく、前記溶融池５０２ｂと前記溶融池５０２ｃとがそのまま凝固すると、前記偏心位置５と前記偏心位置６とは、その時の積層偏心位置ともなる。前記溶融池５０２ａは、そのまま凝固するのが望ましいが、実際の積層では常に振動するものであり、その理由も複雑である。例えば、前記第２層目の積層を行う時に、前記１層目積層５０１の一部が溶融して、前記溶融池５０２ａを支えることになるので、積層時のレーザ照射位置のわずかなずれなどによって、前記１層目積層５０１の溶融が前記積層中心位置１に対してアンバランス（非対称）となり、結果的にその時に形成した溶融池の位置もランダムになり、例えば、図では前記溶融池５０２ｂまたは前記溶融池５０２ｃのどちらの状態にもなり得る。また、第２層目の積層を行う時に、レーザ光が前記溶融池５０２ａに当たるので、前記溶融池５０２ａから溶融金属の蒸発が発生する。前記溶融金属からの蒸気は、前記溶融池５０２ａに反力を働くので、前記溶融池５０２ａは前記反力の影響を受けてランダムに振動し出し、前記溶融池５０２ｂまたは前記溶融池５０２ｃのどちらの状態にもなり得ることが考えられる。

前述した従来のレーザ積層方法に対し本発明のレーザ積層方法では、図１に示す通り、２回目積層１０２の積層を行う時に、積層中心位置１に対してわざと偏心量△Ｌを設けるので、その時の溶融池は、最初から前記積層中心位置１に対して偏心量△Ｌだけ離れた場所に形成される。したがって、実際の積層では前述した様々な変動要因が働いても、前記偏心量△Ｌをもって形成した溶融池は、前記偏心量△Ｌが適正であれば、前記積層中心位置１に対して反対方向に偏心する可能性が少ない。結果的に、従来のレーザ積層方法と比較して、前記積層偏心位置２のところに２層目積層１０２を安定に形成することができる。言うまでもなく、３層目積層１０３以降の積層も同様の理由で、安定に形成することができる。

以上に示すように、本発明のレーザ積層方法によると、積層線の積層中心位置に対して横方向に所定の偏心量をもった第１の積層偏心位置にレーザ光とパウダー状の添加物を位置させて積層を行い、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層中心位置に対して前記横方向とは反対方向に所定の偏心量をもった第２の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダー状の添加物を位置させて積層を行い、これら積層を交互に行うことによって積層の幅および高さを均一にすることができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２におけるレーザ積層装置を示すブロック図である。なお、図１と同一の機能、同一の動作のものには同一の記号を付しその説明を省略する。

７はパウダー供給部７０１とパウダー搬送部７０２とからなるパウダー供給装置で、８はレーザ発振器８０１とレーザ伝送手段８０２とからなるレーザ装置である。９は、前記
レーザ発振器８０１から発生され、前記レーザ伝送手段８０２から伝送されてきたレーザ光１０を受け、それを集光して被積層物４の積層位置に照射すると共に、前記パウダー供給部７０１から供給され、パウダー搬送部７０２から搬送されてきたパウダー１１を受け、それを被積層物４の積層位置に供給することのできるレーザヘッドである。前記レーザ伝送手段８０２は、光ファイバーであってよく、また、レンズより組み合わせた伝送系であってもよい。前記パウダー搬送部７０２は、図示していないが、前記パウダー１１を保持するためのコンテナーを設けたパウダー供給部７０１に接続された、可とう性のチューブであってよい。前記レーザヘッド９は、その中のパウダー１１を通す部分の構造としてはパイプであってよく、また、一つ以上の穴を設けられ、パウダー１１をこれらの穴から噴出せる構造にしたものであってもよい。１２は、前記レーザヘッド９が取り付けられ、それを移動させる移動装置である。１３は、前記パウダー供給装置７と前記レーザ装置８と前記移動装置１２とを制御する制御装置である。

以上に示す本発明のレーザ積層装置の動作について、図１と図２を参照しつつ説明する。被積層物４の積層中心位置１に積層物を作ろうとする場合、まず、制御装置１３は、移動装置１２を制御することによってレーザ光１０の照射位置とパウダー１１の供給位置とを所定の積層位置、例えば、第１の積層偏心位置２に合わせる。その後、レーザ装置８とパウダー供給装置７とを制御することによって前記積層偏心位置２の積層位置にパウダー１１を供給すると共にレーザ光１０を照射し、また、前記移動装置１２を移動させることによって１層目積層１０１の積層を行う。つぎに、制御装置１３は、前記移動装置１２を制御することによって前記レーザ光１０の照射位置と前記パウダー１１の供給位置とを第２の積層偏心位置３に合わせる。その後、前記１層目積層１０１の積層と同様の方法で２層目積層１０２の積層を行う。以上のことを繰り返すことによって、３層目積層１０３と４層目積層１０４との以降の積層を行う。

以上に示すように、本発明のレーザ積層装置によると、積層中心位置に対して横方向に所定の偏心量をもった第１の積層偏心位置にレーザ光とパウダー状の添加物を位置させて積層を行い、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層中心位置に対して前記横方向とは反対方向に所定の偏心量をもった第２の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダー状の添加物を位置させて積層を行い、これら積層を交互に行うことによって、積層の幅および高さを均一にすることができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３におけるレーザ積層装置を説明するブロック図である。図３に示す本発明の実施の形態３は、図２に示す本発明の実施の形態２おいて、移動装置１２と制御装置１３との代わりに、操作部（マニピュレータ）１４と制御部１５とからなるロボット装置１６を使用したものである。なお、図２と同一の機能、同一の動作のものには同一の記号を付しその説明を省略する。

図示の通り、レーザヘッド９は、前記操作部（マニピュレータ）１４に取り付けられるものである。前記ロボット装置１６は、前記制御部１５をもって前記操作部（マニピュレータ）１４を制御することによって、前記レーザヘッド９を移動させる。以上に示す本発明のレーザ積層装置の動作は、以下の通りである。被積層物４において積層を行う時に、前記ロボット装置１６は、レーザ装置８とパウダー供給装置７とを制御すると共に、前記操作部（マニピュレータ）１４に取り付けられた前記レーザヘッド９を所定の積層位置に移動させることによって積層を行う。

以上に示すように、本発明の実施の形態３のレーザ積層装置では、本発明の実施の形態２のレーザ積層装置において、移動装置１２と制御装置１３との代わりに、ロボット装置１６を使用することによって同様の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４において、レーザのパワー密度と集光径との組合せによって被積層物４、またはパウダー１１の材質を持つバルク材に形成され得る溶込み形状の形態を示す模式図である。図５は、パウダー１１を供給せずに、レーザ光１０のみを照射した場合に被積層物４、またはパウダー１１の材質を持つバルク材に形成される溶融池の形状を示す模式図である。図４と図５とを参照しつつ、本発明の実施の形態４の詳細について説明する。
図４において、ＨＣＡはレーザのパワー密度と集光径との組合せでは熱伝導型溶込みが形成され得る領域であり、ＫＨＡはレーザのパワー密度と集光径との組合せではキーホール型溶込みが形成され得る領域である。Ｃ１は、前記熱伝導型溶込み領域ＨＣＡと前記キーホール型溶込み領域ＫＨＡとの境界を示す曲線である。前記熱伝導型溶込み領域ＨＣＡと前記キーホール型溶込み領域ＫＨＡは、それぞれ図５（ａ）と図５（ｂ）とに示す溶込み形状と対応するものである。すなわち、図５（ａ）はレーザのパワー密度が低い時、図５（ｂ）はレーザのパワー密度が高い時と対応する溶込み形状である。図５（ａ）では、２０１は被積層物４、またはパウダー１１の材質を持つバルク材にレーザ光１０のみを照射した場合に形成した溶融池（溶融領域）である。この場合、前記レーザ光１０のパワー密度が低いため、図示の通り、広く浅い溶融池２０１が形成される。図５（ｂ）では、前記レーザ光１０のパワー密度が十分に高いため、前記被積層物４の表面が溶融されると共に、激しい蒸発２０２が発生する。前記蒸発２０２は、前記レーザ光１０の出力とそのパワー密度との大小に応じた大きさのキーホール２０４を形成させるが、図示の通り、溶融池２０５が形成される。前記熱伝導型溶込み領域ＨＣＡと前記キーホール型溶込み領域ＫＨＡとの境である曲線Ｃ１は、被積層物４において初層を積層する場合には、Ｐ_０は被積層物４におけるレーザ光１０のパワー密度、ａは前記レーザ光１０の集光径、ＣＯＮＳＴ１は被積層物４の材質に対応する常数としたときＰ_０・ａ＝ＣＯＮＳＴ１の式（式１）で決まる。

２層目積層１０２以降の積層を行う場合には、図４における熱伝導型溶込み領域ＨＣＡとキーホール型溶込み領域ＫＨＡとの境である曲線Ｃ１は、Ｐ_０は積層位置におけるレーザ光１０のパワー密度、ａは前記レーザ光１０の集光径、ＣＯＮＳＴ２はパウダー１１と同一の材質を有するバルク材に対応する常数としたときＰ_０・ａ＝ＣＯＮＳＴ２の式（式２）によって決まる。

図４において、横軸および縦軸にメモリを示していないが、これは、被積層物４またはパウダー１１の材質が変わると、曲線Ｃ１も変わるので、ここではその模式図のみを示したためである。いくつかの材料の常数ＣＯＮＳＴ１または常数ＣＯＮＳＴ２の値としては、ステンレス鋼では２２〜２７、鉄鋼では２５〜３０、を使用してよい。但し、この時のパワー密度Ｐ_０と集光径ａとの単位としては、それぞれＫＷ／ｃｍ^２とｍｍとを使用するものである。

実際の積層について考える。初層では、被積層物４の溶融をできるだけ少なくするのが望ましい。したがって、前記レーザ光１０ののパワー密度Ｐ_０と集光径ａとの選定は、前記熱伝導型溶込み領域ＨＣＡ内に選定する必要がある。すなわち、前記集光径ａが定まれば、前記レーザ光１０ののパワー密度を、前記集光径ａと対応する前記曲線Ｃ１の値より低く設定する必要がある。逆に、前記レーザ光１０ののパワー密度Ｐ_０が定まれば、前記レーザ光１０の集光径ａを、前記のパワー密度Ｐ_０と対応する前記曲線Ｃ１の値より小さく設定する必要がある。但し、この時の前記曲線Ｃ１を算出するには、式１を使用しなければならない。２層目以降の積層では、積層は１層目、あるいはその後の前回の積層の上に行うので、その時には前回の積層をできるだけ深く溶かさないようにすることが望ましい。したがって、その時の前記レーザ光１０ののパワー密度Ｐ_０と集光径ａとの選定は、前記初層の時と同様の方法で行う必要があるが、前記曲線Ｃ１の算出には式２を使用しなければならない。

以上に示す方法で前記レーザ光１０ののパワー密度Ｐ_０と集光径ａとを選定する理由については、図５を参照しつつ説明する。

すなわち、仮に、図５（ｂ）に示すような状態でパウダー１１を供給して初層の積層を行うとすると、前記パウダー１１が溶融され、前記キーホール２０４あるいは前記溶融池２０５に入ってしまうので、良好な積層を形成することができない。１層目の積層が良好でないと、２層目以降の積層も困難になることが容易に考えられる。一方、２層目以降の積層を行う場合には、図５（ｂ）のような高いレーザのパワー密度にすると、その以前に積層したものを深く溶かしてしまう恐れがあるので、やはり良好な積層を得ることができない。

以上に示すように、本発明の実施の形態４のレーザ積層方法またはレーザ積層装置においては、本発明の実施の形態１から実施の形態３までのレーザ積層方法またはレーザ積層装置において、初層を積層する際には、積層位置におけるレーザ光のパワー密度を凡そ式１から求められた値以下とするが、２層目以降の積層を行う際、積層位置におけるレーザ光のパワー密度を凡そ式２から求められた値以下とすることによって積層の幅および高さを均一にすることができる。

（実施の形態５）
図６は本発明の実施の形態５におけるレーザ積層方法またはレーザ積層装置を使用して２層目の積層を行う方法を説明するための模式図である。なお、図１に示す模式図と同一の機能、同一の動作のものには同一の記号を付し、その説明を省略する。

１７は、レーザ光１０の光軸であり、２層目の積層を行うため積層偏心位置３と同一の位置になるようにした。ａは、前記レーザ光１０の積層位置における集光径である。△Ｍは、２層目積層１０２と１層目積層１０１との右側端の差であり、前記２層目積層１０２の前記１層目積層１０１に対するはみ出し量である。△Ｈは、１層目積層１０１の積層の積層高さである。△Ｈ_Ｍは、２層目積層１０２の積層を行う時に、１層目積層１０１を溶融した深さを示す溶融深さである。

本発明の実施の形態５の機能あるいは動作について、図６を参照しつつ説明する。図６では、はみ出し量△Ｍの値が大きすぎると、２層目積層１０２を積層する時に、１層目積層１０１の未溶融部分が前記２層目積層の溶融池を支えきれなくなり、溶融金属の垂れが発生してしまう恐れがある。また、前記溶融深さ△Ｈ_Ｍが深すぎると、２層目積層１０２を積層する時に、やはり１層目積層１０１の未溶融部分が前記２層目積層の溶融池を支えきれなくなり、溶融金属の垂れが発生してしまう。したがって、本発明では、積層中心位置１に対する横方向の偏心量△Ｌは、積層位置におけるレーザ光１０の集光径ａの１／４または積層の目標積層幅Ｗの１／４のいずれか小さいほうの値以下にすることによって、前記溶融金属の垂れを防止すると共に、積層の幅および高さを均一にすることができる。また、本発明では、各々の層の積層を行う際に、その直前の積層に対する溶融深さ△Ｈ_Ｍを前記直前の積層の積層高さ△Ｈの１／２以下にするようレーザ出力を選定することによって、前記溶融金属の垂れを防止すると共に、積層の幅および高さを均一にすることができる。

以上の説明は、２層目積層１０２の積層を例にして説明したが、言うまでもなく、その後の積層も同様である。

（実施の形態６）
図７は本発明の実施の形態６におけるレーザ積層方法またはレーザ積層装置による積層
物の断面を示す模式図である。ここでは、２種類の主成分を持つパウダー１１ａとパウダー１１ｂを使用した場合の積層を例に説明する。なお、図１と同一の機能、同一の動作のものには同一の記号を付しその説明を省略する。

３０１は、パウダー１１ａを使用して積層偏心位置２において行った第１回目の積層である１層目積層である。３０２は、パウダー１１ｂを使用して積層偏心位置３において行った第２回目の積層である２層目積層である。以降、前記パウダー１１ａとパウダー１１ｂとを使用して、交互に積層していく。本発明の実施の形態６には、以下の特徴がある。パウダー１１ａを使用して１層目積層３０１の積層を終えた後、パウダー１１ｂを使用して２層目積層３０２の積層を行うので、前記２層目積層３０２の積層が終了した時点では、前記２層目積層３０２の成分は、前記パウダー１１ａの一部と前記パウダー１１ｂの一部との成分が混合した成分のものとなる。また、パウダー１１ａとパウダー１１ｂとの供給量を調整することによって所定成分の積層物をえることができる。以上の説明において、２種類のパウダーの例を説明したが、言うまでもなく、パウダーの主成分の種類は少なくとも２種類あればよい。

以上に示すように、本発明の実施の形態６において、少なくとも２種類の主成分を持つパウダーを使用して、それを順番に積層することによって積層の幅および高さを均一にすると共に、所定の混合成分を持つ積層物を得ることができる。

（実施の形態７）
図８は本発明の実施の形態７におけるレーザ積層装置において、パウダー１１がレーザヘッド９から出るパウダー出口１９ａ〜１９ｈの配置を示す模式図である。まず、その構造について説明する。

１８は、前記レーザヘッド９の先端部分に取り付けられ、パウダー１１を被積層物４に向かって送り出すチップである。１９ａ〜１９ｈは、前記チップ１８に設けられたパウダー１１の供給経路であり、前記チップ１８の端面２０においてはパウダー出口（以下、パウダー出口１９と称することがある。）となる。図示の通り、前記パウダー出口１９は、レーザ光１０の光軸１７を中心に同心円状に配置される。なお、前記パウダー出口１９から出たパウダー１１は、被接合物４のほぼ表面付近において、前記レーザ光１０が照射される位置に交わるように構成される。

次に、図８を参照しつつ、少なくとも２種類以上の主成分を持つパウダー１１ａとパウダー１１ｂとを使用した場合に、前記チップ１８からパウダー１１を送り出すための、パウダー出口１９への前記パウダー１１ａと前記パウダー１１ｂとの配分について説明する。図示していないが、パウダー１１ａは、パウダー出口１９ａと、パウダー出口１９ｃと、パウダー出口１９ｅと、パウダー出口１９ｇとから送り出される。パウダー１１ｂは、パウダー出口１９ｂと、パウダー出口１９ｄと、パウダー出口１９ｆとパウダー出口１９ｈとから送り出される。

以上の構成によって、被積層物４の積層位置において溶融池を形成する場合、前記パウダー１１ａと前記パウダー１１ｂとが混合され、均一な混合成分となる積層物を作ることができる。なお、前記パウダー１１ａと前記パウダー１１ｂとの供給量を調整することによって所定成分の積層物を得ることができる。

以上の説明において、２種類のパウダー１１の例を説明したが、言うまでもなく、パウダーの主成分の種類は少なくとも２種類あればよい。その時のパウダー出口１９の構造およびそこへのパウダー１１の配分は以下の通りである。すなわち、パウダー１１の主成分が２種類以上になった場合、レーザ光１０の光軸１７と同心円状に配置するパウダー出口
１９の数をパウダー１１の主成分の種類の倍数にすると共に、前記パウダー出口１９に割り当てるパウダー１１を、その主成分ごとに順番に配置することによって同様の効果を得ることができる。

以上に示すように、本発明の実施の形態７において、少なくとも２種類の主成分を持つパウダーを同時に積層位置に供給して積層することによって積層の幅および高さを均一にすると共に、均一な混合成分を持つ積層物を得ることができる。

本発明の実施の形態１から本発明の実施の形態７までの説明では、積層線の形状を限定しなかったが、それが直線であってよく、曲線であってもよい。

本発明に係るレーザ積層方法またはレーザ積層装置は、積層の高さを均一にすることが簡単な構成でできるので、産業上有用である。

本発明の実施の形態１におけるレーザ積層方法による積層物の断面を示す模式図 本発明の実施の形態２におけるレーザ積層装置を示すブロック図 本発明の実施の形態３におけるレーザ積層装置を示すブロック図 本発明の実施の形態４において、レーザのパワー密度と集光径との組合せによって被積層物４、またはパウダー１１の材質を持つバルク材に形成され得る溶込み形状の形態を示す模式図 パウダー１１を供給せずに、レーザ光１０のみを照射した場合に被積層物４、またはパウダー１１の材質を持つバルク材に形成された溶融池の形状を示す模式図 本発明の実施の形態５におけるレーザ積層方法またはレーザ積層装置を使用して２層目の積層を行う方法を説明するための模式図 発明の実施の形態６におけるレーザ積層方法またはレーザ積層装置による積層物の断面を示す模式図 本発明の実施の形態７におけるレーザ積層装置において、パウダー１１がレーザヘッド９から出るパウダー出口１９ａ〜１９ｈの配置を示す模式図 従来のレーザ積層方法を示す模式図

符号の説明

１ 積層中心位置
２ 第１の積層偏心位置
３ 第２の積層偏心位置
４ 被積層物
５ 偏心位置
６ 偏心位置
７ パウダー供給装置
８ レーザ装置
９ レーザヘッド
１０ レーザ光
１１ パウダー
１１ａ パウダー
１１ｂ パウダー
１２ 移動装置
１３ 制御装置
１４ 操作部（マニピュレータ）
１５ 制御部
１６ ロボット装置
１７ 光軸
１８ チップ
１９ パウダー出口
１９ａ パウダー出口
１９ｂ パウダー出口
１９ｃ パウダー出口
１９ｄ パウダー出口
１９ｅ パウダー出口
１９ｆ パウダー出口
１９ｇ パウダー出口
１９ｈ パウダー出口
２０ チップ端面
１０１ １層目積層
１０２ ２層目積層
１０３ ３層目積層
１０４ ４層目積層
２０１ 溶融池
２０２ 蒸発
２０３ 溶融池
２０４ キーホール
２０５ 溶融池
３０１ １層目積層
３０２ ２層目積層
７０１ パウダー供給部
７０２ パウダー搬送部
８０１ レーザ発振器
８０２ レーザ搬送手段
５０１ １層目積層
５０２ａ 溶融池
５０２ｂ 溶融池
５０２ｃ 溶融池
ａ 集光径
Ｃ１ 曲線
ＨＣＡ 熱伝導型溶込み領域
ＫＨＡ キーホール型溶込み領域
Ｐ_０ レーザのパワー密度
Ｗ 目標積層幅
Ｗ_０ 各層積層幅
△Ｈ 積層高さ
△Ｈ_Ｍ 溶融深さ
△Ｌ 偏心量
△Ｍ はみ出し量

Claims (18)

1. 積層線の積層中心位置付近に沿ってパウダーを供給し、前記パウダーをレーザ光及び／またはレーザ光で形成した溶融池で溶融し、前記積層中心位置付近に沿った溶融を複数回行うことで多層状に積層するレーザ積層方法であって、
   前記積層中心位置の近傍、かつ、前記積層中心位置に対して横方向に所定の偏心量をもった第１の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダーを位置させて積層を行い、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層中心位置に対して前記第１の積層偏心位置とは反対方向に所定の偏心量をもった第２の積層偏心位置に前記レーザ光と前記パウダーを位置させて積層を行い、これら第１の積層偏心位置での前記パウダーの溶融と第２の積層偏心位置での前記パウダーの溶融を交互に行うレーザ積層方法。
2. 前記所定の偏心量として、積層位置におけるレーザ光の集光径の１／４または積層の目標積層幅の１／４のいずれか小さいほうの値以下とする請求項１記載のレーザ積層方法。
3. 初層を積層するときの積層位置におけるレーザ光のパワー密度を、Ｐ_０：積層位置におけるレーザのパワー密度（ＫＷ／ｃｍ^２）、ａ：積層位置におけるレーザの集光径（ｍｍ）、ＣＯＮＳＴ１：被積層物の材質に対応する常数とするとき凡そＰ_０・ａ＝ＣＯＮＳＴ１の式から求められた値以下とする請求項１または２記載のレーザ積層方法。
4. ２層目以降の積層を行うときの積層位置におけるレーザのパワー密度を、Ｐ_０：積層位置におけるレーザのパワー密度（ＫＷ／ｃｍ^２）、ａ：積層位置におけるレーザの集光径（ｍｍ）、ＣＯＮＳＴ２：パウダーの材質に対応する常数とするとき凡そＰ_０・ａ＝ＣＯＮＳＴ２の式から求められた値以下とする請求項１または２記載のレーザ積層方法。
5. 各々の層の積層を行う際に、その直前の積層に対する溶融深さを前記直前の積層の積層高さの１／２以下にするようレーザ出力を選定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のレーザ積層方法。
6. パウダーは、少なくとも２種類の組成であって、それを順番に積層する請求項１から５の何れかに記載のレーザ積層方法。
7. パウダーは、少なくとも２種類の組成であって、それを同時に積層位置に供給する請求項１から５の何れかに記載のレーザ積層方法。
8. 積層線の積層中心位置付近に沿ってパウダーを供給し、前記パウダーをレーザ光及び／またはレーザ光で形成した溶融池で溶融し、前記積層中心位置付近に沿った溶融を複数回行うことで多層状に積層するレーザ積層装置であって、
   パウダーを供給するパウダー供給装置と、前記パウダーを溶融するレーザ光を発生するレーザ装置と、前記パウダーと前記レーザ光とを被積層物の積層中心位置付近に導入するレーザヘッドと、前記レーザヘッドを取り付け、それを移動させるための移動装置と、前記移動装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、積層中心位置の近傍、かつ、前記積層中心位置に対して横方向に所定の偏心量をもった第１の積層偏心位置に前記レーザヘッドが位置するように前記移動装置を制御し、次に前記積層中心位置の近傍であって、かつ、前記積層中心位置に対して前記第１の積層偏心位置とは反対方向に所定の偏心量をもった第２の積層偏心位置に前記レーザヘッドが位置するように前記移動装置を制御し、これら第１の積層偏心位置での前記パウダーの溶融と第２の積層偏心位置での前記パウダーの溶融を交互に行うことを特徴とするレーザ積層装置。
9. 前記制御装置は、前記所定の偏心量として積層位置におけるレーザ光の集光径の１／４または積層の目標積層幅の１／４のいずれか小さいほうの値以下に制御する請求項８記載のレーザ積層装置。
10. 前記制御装置と前記移動装置として産業用ロボットを使用する請求項８または請求項９記載のレーザ積層装置。
11. 初層を積層するとき積層位置におけるレーザ光のパワー密度を、Ｐ_０：積層位置におけるレーザのパワー密度（ＫＷ／ｃｍ^２）、ａ：積層位置におけるレーザの集光径（ｍｍ）、ＣＯＮＳＴ１：被積層物の材質に対応する常数とするとき凡そＰ_０・ａ＝ＣＯＮＳＴ１の式から求められた値以下とする請求項８から１０の何れかに記載のレーザ積層装置。
12. ２層目以降の積層を行うとき積層位置におけるレーザのパワー密度を、Ｐ_０：積層位置におけるレーザのパワー密度（ＫＷ／ｃｍ^２）、ａ：積層位置におけるレーザの集光径（ｍｍ）、ＣＯＮＳＴ２：パウダーの材質に対応する常数とするとき凡そＰ_０・ａ＝ＣＯＮＳＴ２の式から求められた値以下とする請求項８から１０の何れかに記載のレーザ積層装置。
13. 各々の層の積層を行う際に、その直前の積層に対する溶融深さを前記直前の積層の積層高さの１／２以下にするようレーザ出力を選定することを特徴とする請求項８から１２の何れかに記載のレーザ積層装置。
14. パウダーは、少なくとも２種類の組成であって、それを順番に積層する請求項８から１３の何れかに記載のレーザ積層装置。
15. パウダーは、少なくとも２種類の組成であって、それを同時に積層位置に供給する請求項８から１３の何れかに記載のレーザ積層装置。
16. パウダーの種類分だけレーザヘッドに供給経路を設けると共に、前記パウダーが前記レーザヘッドから出るパウダー出口をレーザ光の光軸と同心円状に配置する請求項１５記載のレーザ積層装置。
17. レーザ光の光軸と同心円状に配置するパウダー出口の数をパウダーの主成分の種類の倍数にすると共に、前記パウダー出口に割り当てるパウダーを、その主成分ごとに順番に配置する請求項１６記載のレーザ積層装置。
18. 積層線は直線または曲線である請求項８から１７の何れかに記載のレーザ積層装置。