JP7133798B2 - 粉末溶融による線材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末溶融による線材製造方法に関するものである。

従来、光ファイバと、コンデンサレンズと、溶融材料を供給する供給ノズルを備え、供給ノズルはコンデンサレンズを貫通するように配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対してコンデンサレンズの軸線上またはその周囲において又は供給ノズルの軸線上またはその周囲において光ファイバからのレーザ光を照射するレーザ加工方法およびこれを実現するレーザ加工装置が開示されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１７／１７０８９１号

特許文献１の技術は、肉盛溶接等、母材を被膜する用途に適用されることが開示されているが、その他の用途については十分に検討されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、新規な線材の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る線材の製造方法は、線材材料の粉末を供給ノズルからステージに向けて供給する供給工程と、前記ステージに向かう前記粉末に、前記粉末の流れの周囲から複数のレーザ光を照射し、飛行中の前記粉末を溶融する溶融工程と、前記溶融した粉末をステージ上に堆積して固化させながら、前記供給ノズルおよび前記レーザ光の前記粉末への照射位置と前記ステージとを相対的に移動させて、線材を形成する形成工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記供給工程において、前記線材材料の粉末の組成比を変化させながら供給し、長手方向において組成比が変化する線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記供給工程において、異なる線材材料の粉末の供給量を変化させ供給し、組成比を制御した線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記供給工程において、供給する粉末を時間的に断続的に変化させ供給し、線材長手方向において材料種の異なる線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記供給ノズルが、多軸回転動作するロボットアームに取り付けられ、射出方向を自由に制御し線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記溶融工程において、複数のレーザ光の出力パワーを制御することで、線材の断面形状を制御し線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記溶融工程において、前記レーザ光のビームの大きさを調整し、線材の入熱を制御し線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記溶融工程において、前記レーザ光のビームの単位面積あたりのパワー分布を任意に調整し、線材の入熱を制御し線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記溶融工程において、異なる波長のレーザ光を複数数配置し、線材材料の光吸収の高いレーザ光と光吸収の低いレーザ光とを配置し、線材材料の溶融速度を制御し線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記溶融工程において、異なる波長のレーザ光を複数配置し、複数の線材材料粉末を供給し、個々の線材材料粉末の光吸収の高い波長のレーザ光によりそれぞれ溶融条件を最適化し線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記溶融工程において、複数のレーザ光は、その焦点位置を線材材料粉末の供給される軸方向に対して複数配置され、線材材料粉末の進行方向に対してレーザ光照射距離を最適化し線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記線材を形成する基板が回転体に取り付けてあり、その回転体が形成された線材を巻き取ることを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記供給工程において、複数の異なる前記線材材料の粉末の供給量を変化させることで、長手方向において組成比が変化する線材を形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記線材材料が金属材料であり、前記線材が金属ワイヤであることを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記供給工程において、前記金属材料の粉末に抵抗調整用添加物を、添加量を変化させながら混入させて供給し、長手方向において抵抗率が変化する金属ワイヤを形成することを特徴とする。

本発明の一態様に係る線材の製造方法は、前記供給工程において、前記金属材料を途中で切り替えて供給し、長手方向において構成材料が途中で切り替わる金属ワイヤを形成することを特徴とする。

本発明によれば、新規な線材の製造方法が提供される。

図１は、レーザ加工装置の模式的構成図である。 図２は、図１のレーザ加工装置の加工ヘッド内部の模式的構成図である。 図３は、製造される線材の例を示す図である。 図４は、製造される線材の例を示す図である。 図５は、製造される線材の例を示す図である。 図６は、金属粉末の温度分布を示す図である。 図７は、粉末溶融による線材製造の原理を示す図である。 図８は、線材生成方向の制御を示す図である。 図９は、レーザ光の集光径による線材の太さの制御方法を示す図である。 図１０は、レーザビームのプロファイルを変更した例を示す図である。 図１１は、原料供給方法の一例を示す図である。 図１２は、原料供給方法の他の一例を示す図である。 図１３は、線材形成装置の一例を示す図である。 図１４は、線材形成装置の他の一例を示す図である。 図１５は、線材形成装置の更に他の一例を示す図である。 図１６は、実施例として製造した金属ワイヤを示す図である。 図１７は、図１６の金属ワイヤの断面を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

本発明者らは、肉盛溶接等、母材を被膜する特許文献１の技術を応用して、全く新規の線材の製造方法を発明した。以下に説明する。

図１は、実施形態の製造方法を実現するためのレーザ加工装置の模式的構成図である。レーザ加工装置１００は、多軸多関節ロボット１０１と、加工ヘッド１０２と、レーザ発振装置１０３と、線材材料供給装置１０４と、加工ステージ１０５とを備えている。加工ヘッド１０２は多軸回転可能に構成されている。レーザ発振装置１０３は複数の光ファイバを介してレーザ光を加工ヘッド１０２に供給する。線材材料供給装置１０４は供給管を介して線材材料の粉末を加工ヘッド１０２に供給する。加工ステージ１０５は多軸回転可能かつ加工ヘッド１０２に対して昇降可能かつ水平移動可能に構成されている。

図２に示すように、加工ヘッド１０２の内部には、線材材料供給装置１０４から搬送されてきた線材材料の粉末を噴射して供給する供給ノズル１０４ａと、供給ノズル１０４ａが光軸付近を貫通する集光レンズ１０２ａと、レーザ発振装置１０３からレーザ光を伝搬する複数の光ファイバ１０３ａの先端と、複数の光ファイバ１０３ａに対応して設けられ、それぞれの光軸が集光レンズ１０２ａの光軸と平行にされた複数のコリメートレンズ１０２ｂと、が収容されている。

供給ノズル１０４ａは、線材材料の粉末Ｐを加工ステージ１０５に向けて噴射して供給する。

複数の光ファイバ１０３ａは、それぞれの先端から、集光レンズ１０２ａの光軸と平行にレーザ光Ｌを出力する。複数のコリメートレンズ１０２ｂは、それぞれレーザ光Ｌをコリメート光にする。集光レンズ１０２ａは、コリメート光にされた各レーザ光Ｌを粉末Ｐに集光させる。これにより、集光レンズ１０２ａは、加工ステージ１０５に向かう粉末Ｐに、粉末Ｐの流れの周囲から複数のレーザ光Ｌを照射し、加工ステージ１０５に向かって飛行中の粉末Ｐを溶融し、溶融体Ｍとする。

溶融体Ｍは加工ステージ１０５上に少しずつ堆積して固化する。このとき、供給ノズル１０４ａおよびレーザ光Ｌの照射位置と、加工ステージ１０５とを相対的に移動する（図２では加工ステージ１０５を下降させている）。これにより、溶融体Ｍが固化したものはワイヤ状に堆積し、金属ワイヤ線材Ｗが形成される。

すなわち、本実施形態の線材の製造方法は、線材材料の粉末Ｐを供給ノズル１０４ａから加工ステージ１０５に向けて供給する供給工程と、加工ステージ１０５に向かう粉末Ｐに、粉末Ｐの流れの周囲から複数のレーザ光Ｌを照射し、飛行中の粉末Ｐを溶融する溶融工程と、溶融した粉末（溶融体Ｍ）を加工ステージ１０５上に堆積して固化させながら、供給ノズル１０４ａおよびレーザ光Ｌの粉末Ｐへの照射位置と加工ステージ１０５とを相対的に移動させて、線材材料をワイヤ状に堆積して線材Ｗを形成する形成工程と、を含む。

本実施形態の線材の製造方法によれば、加工ヘッド１０２と加工ステージ１０５との相対移動のさせ方を制御することで、図３に示すような任意の形状の線材Ｗ１、Ｗ２を自由に製造することができる。

使用する線材材料は、製造したい線材に応じて適宜選択することができるが、たとえば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属や、樹脂等である。

また、例えば線材として金属のワイヤを製造する場合に、供給ノズル１０４ａに、金属材料の粉末の組成比を変化させながら供給したり、金属材料の粉末に抵抗調整用添加物を、添加量を変化させながら混入させて供給したりすることで、図４に示すように、長手方向において抵抗率や組成比が変化する金属ワイヤＷ３を製造することができる。

また、供給ノズル１０４ａに、金属材料を途中で切り替えて供給することで、図５に示すように、長手方向において構成材料が途中で切り替わる金属ワイヤＷ４を製造することができる。この金属ワイヤＷ４は、ワイヤ部Ｗ４１が銅合金からなり、ワイヤ部Ｗ４２がアルミニウム合金からなり、ワイヤ部Ｗ４１とワイヤ部Ｗ４２とがシームレスに接合されたものである。

図６（ａ）は、単数のレーザ光（レーザ光Ａ）の照射に対して、金属粉末を複数の方向から（図では粉末Ａ、粉末Ｂを２方向から）供給をした場合の例として、レーザ光による金属粉末の温度上昇の様子を示した。レーザ光の照射方向に対しある角度を以て照射される金属粉末は、金属粉末の照射幅に対して、図６（ａ）のような温度分布をもつ。そのため、金属粉末照射幅に対して温度勾配が発生し、金属の溶融状態や凝固状態が異なるため溶融が不完全であったり、熱ひずみが発生したりする。一方図６（ｂ）に示す本実施形態のように、金属粉末（図では粉末Ｃ）の照射方向に対し、ある角度を有したレーザ光のビームが複数方向から（図ではレーザ光Ｂ、レーザ光Ｃが２方向から）照射されることにより、温度分布が図６（ｂ）のように金属粉末照射幅に対して均一になる。

このレーザ光による入熱量の均質性は、金属ワイヤの断面に対して均質な溶融と凝固を可能とする。また、入熱量を制御することにより、基板や形成された金属ワイヤに余分な熱を与えることなく金属粉末を均質に溶融することが可能となるので、金属ワイヤの組成や太さなどを高精度に制御することが可能となる。

図７に粉末溶融による線材製造の原理を示す。図７には、レーザ光２０１ａ、線材材料の粉末である原料粉末２０１ｂ、溶融部２０1ｃ、線材２０１ｄを示している。レーザ光２０１ａが集光される集光点２０１ｅにおいて粉末２０１ｂが溶融される。溶融された原料粉末２０１ｂが堆積すると同時に、原料粉末２０１ｂの堆積した点を原料粉末２０１ｂの供給方向に対して並行（図７中の上向き矢印の方向）に移動させることで線材２０１ｄが形成される。また、逆に集光点２０１ｅを原料粉末供給方向と反対方向（図７中の下向き矢印の方向）に移動させることで線材２０１ｄを形成することもできる。この場合、加工ヘッドは可動式であり、可動ステージや多関節ロボットに固定され移動制御する。

図８に線材生成方向の制御を示す。図８のように原料粉末２０２ａの供給、レーザ光２０２ｂの照射を行って線材形成をする際に線材を回転または、加工ヘッドを任意の方向に傾けることで、線材の形状を制御することができる。

図９にレーザ光の集光径による線材の太さの制御方法を図示した。図９（ａ）、（ｂ）を比較すると解るように、レーザ光２０３ａに対し集光径（ビームの大きさ）を大きくしたレーザ光２０３ｂでは、図９（ａ）に示す原料粉末２０３ｃの場合よりも、図９（ｂ）に示す原料粉末２０３ｄを溶融させることが可能となる面積が大きくなるため、線材２０３ｅの直径よりも線材２０３ｆの直径を太くすることができる。また、広げたレーザ光２０３ｂの集光径に対して供給する原料粉末２０３ｄも供給する幅を太くしても良い。また、レーザ光の出力パワーを個別に制御することで、粉末が溶融される量を部分的に変化することができるので、線材の断面形状を制御することが可能である。

図１０にレーザビームのプロファイルを変更した例を図示する。レーザ光２０４ａは、レーザ光の単位面積あたりのパワー分布を調整するために、ビーム形状をリング形状にしている。この場合、リングの中心付近はレーザ光が無いため原料粉末２０４ｂは加熱されない。また、集光点２０４ｃにおいて、中心部分の入熱を小さくできるため、例えば線材外周をより加熱することができる。これにより、中空線材の形成や、線材表面を滑らかにするなどの様々な線材の製造が実現可能である。また、ビームプロファイルは図１０ではリング形状を示したが、パワー分布が面内で均一なフラットトップハット型や、三角形、楕円、山形形状など、任意の形状でも良い。

上述した制御の方法、例えば集光径またはビーム径の調整や、レーザ光の出力パワーの個別制御や、レーザ光のビーム単位面積あたりのパワー分布の調整は、適宜組み合わせて使用することができる。

図１１に原料供給方法の一例を図示する。異なる粉末供給部から、互いに異なる原料粉末３０１ａ及び原料粉末３０２ｂという２種類の原料が供給されている。一例として、時間的に原料粉末３０１ａと原料粉末３０２ｂとを交互に射出し、レーザ光３０１ｄ、３０１ｅを照射することで、長手方向で組成の変化する線材３０１ｃの形成が可能となる。図１１は２種類の原料粉末を用いた場合であるが、２種類以上の原料粉末を供給しても良い。

図１２に原料供給方法の他の一例を図示する。異なる粉末供給部から、互いに異なる原料粉末３０２ａと原料粉末３０２ｂを同時に供給し、レーザ光３０２ｄ、３０２ｅを照射することで、混合材質の線材３０２ｃを形成することができる。この場合、供給量の比を時間的に制御することで、ワイヤ構成材料比（組成比等）を長手方向に制御することができる。図１２は２種類の原料粉末を用いた場合であるが、２種類以上の原料粉末を供給しても良い。

図１３に、線材形成装置の一例を図示する。線材形成装置６００は、加工ヘッド６０１、レーザ光源６０２、６０３、ワイヤ巻取り機６０４、可動ステージ６０５、治具６０６を備えており、線材６０７を形成する。レーザ光源６０２、６０３と加工ヘッド６０１とは光ファイバで接続されている。線材巻き取り機６０４は、回転体６０８を備えており、線材を形成する基板６０９が回転体６０８に取り付けられている。線材形成装置６００は、形成された線材６０７を線材巻取り機６０４で巻き取りながら連続に線材６０７を形成する。レーザ光源６０２、６０３の出力するレーザ光は、同一波長のレーザ光でも、波長が互いに異なるなど特性の異なるレーザ光の組み合わせでも良い。

線材は光の波長によって吸収率が異なるので、発振波長の異なる複数のレーザ光源を備えることで、ある原料粉末に対して光吸収の高いレーザ光や光吸収の低いレーザ光を照射することが可能である。これにより、原料粉末の溶融速度を速くしたり遅くしたりする制御をして線材を形成することが可能である。また、吸収率の異なるレーザ光を同時に線材に照射することで、原料粉末に対して溶融速度の速い部分と遅い部分を作り出すことが可能である。これにより、部分ごとに溶融速度を制御して線材を形成することが可能である。更に、原料粉末を複数用いる場合には、個々の原料粉末の光吸収のよい波長のレーザ光を選択することにより、それぞれの溶融条件を最適化して線材を形成することが可能である。図１１で示した例では、原料粉末３０１ａを供給する場合には、レーザ光３０１ｄとレーザ光３０１ｅとを原料粉末３０１ａの吸収率の高い波長にし、原料粉末３０１ｂを供給する場合には、レーザ光３０１ｄとレーザ光３０１ｅとを原料粉末３０１ｂの吸収率の高い波長にすれば、それぞれ溶融条件を最適化することが可能である。図１２で示した例では、例えばレーザ光３０２ｄを原料粉末３０２ａの光吸収率の高い波長とし、レーザ光３０２ｅを原料粉末３０２ｂの光吸収率の高い波長とすることで、溶融条件を最適化することも可能である。波長が異なるレーザとしては、例えば半導体レーザとして波長４００ｎｍ～５００ｎｍ、８００ｎｍ～９８０ｎｍ、赤外光用のファイバレーザとして波長１０００ｎｍ～１１００ｎｍ、ＹＡＧレーザとして１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ等を適宜備えることが可能で、他にも適宜選択して備えることが可能である。

さらには、線材形成装置が、複数のレーザ光源を備える場合には、各レーザ光源が出力するレーザ光の焦点位置を原料粉末の供給される軸方向に対して複数、互いに異なるように配置するように、レーザ光源を配置してもよい。これにより、原料粉末の進行方向に対してレーザ光の照射距離またはレーザ光の焦点距離を最適化して、効率よく線材を形成することが可能である。

図１４に、線材形成装置の他の一例を図示する。線材形成装置６１０では、加工ヘッド６０１が多関節ロボットアーム６１１の先端に取り付けられ、５軸方向に動作が可能である。そのため、ステージ６１２上で断続的な線材形成を行うことで、例えば格子型の線材構造物を形成することができる。

図１５に、線材形成装置の更なる他の一例を図示する。線材形成装置６３０は、加工ヘッド６０１が可動ステージ６３１に配置されており、水平方向に移動できる。ステージ６３２は可動可能でも固定されていてもどちらでも良い。ワイヤ形成装置６３０により、加工面内に多点にワイヤを形成することが可能となる。例えば、レーザーダイオードの電気配線用の複数ある金属端子を形成することに適用できる。

本発明の実施例として、加工ステージにアルミニウム製の板を載置し、上記の実施形態１の製造方法を用いて、この板上に銅製の金属ワイヤを製造した。図１６は、実施例として製造した金属ワイヤを示す図である。

図１７は、図１６の金属ワイヤの断面を示す図であり、図１７（ａ）に示す断面の一部を拡大したものが図１７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）である。図１７に示すように、製造した金属ワイヤは、断面に欠陥が少ない品質の高いものであった。

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００ レーザ加工装置
１０１ 多軸多関節ロボット
１０２ 加工ヘッド
１０２ａ 集光レンズ
１０２ｂ コリメートレンズ
１０３ レーザ発振装置
１０３ａ 光ファイバ
１０４ 線材材料供給装置
１０４ａ 供給ノズル
１０５ 加工ステージ
２０１ａ、Ｌ レーザ光
Ｍ 溶融体
Ｐ 粉末
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４ 線材（金属ワイヤ）
Ｗ４１、Ｗ４２ ワイヤ部

Claims (15)

1. 線材材料の粉末を供給ノズルからステージに向けて供給する供給工程と、
   前記ステージに向かう前記粉末に、前記粉末の流れの周囲から複数のレーザ光を照射し、飛行中の前記粉末を溶融する溶融工程と、
   前記溶融した粉末をステージ上に堆積して固化させながら、前記供給ノズルおよび前記レーザ光の前記粉末への照射位置と前記ステージとを相対的に移動させて、線材を形成する形成工程と、
   を含み、
   前記線材材料が金属材料であり、前記線材が金属ワイヤであることを特徴とする線材の製造方法。
2. 前記供給工程において、前記線材材料の粉末の組成比を変化させながら供給し、
   長手方向において組成比が変化する線材を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の線材の製造方法。
3. 前記供給工程において、異なる線材材料の粉末の供給量を変化させ供給し、組成比を制御した線材を形成することを特徴とする請求項１に記載の線材の製造方法。
4. 前記供給工程において、供給する粉末を時間的に断続的に変化させ供給し、線材長手方向において材料種の異なる線材を形成することを特徴とする請求項１に記載の線材の製造方法。
5. 前記供給ノズルが、多軸回転動作するロボットアームに取り付けられ、射出方向を自由に制御し線材を形成することを特徴とする請求項１に記載の線材の製造方法。
6. 前記溶融工程において、複数のレーザ光の出力パワーを制御することで、線材の断面形状を制御し線材を形成することを特徴とする請求項１に記載の線材の製造方法。
7. 前記溶融工程において、前記レーザ光のビームの大きさを調整し、線材の入熱を制御し線材を形成することを特徴とする請求項１または６に記載の線材の製造方法。
8. 前記溶融工程において、前記レーザ光のビームの単位面積あたりのパワー分布を任意に調整し、線材の入熱を制御し線材を形成することを特徴とする請求項１、６および７のいずれか一つに記載の線材の製造方法。
9. 前記溶融工程において、異なる波長のレーザ光を複数配置し、線材材料の光吸収の高いレーザ光と光吸収の低いレーザ光とを配置し、線材材料の溶融速度を制御し線材を形成することを特徴とする請求項１、６～８のいずれか一つに記載の線材の製造方法。
10. 前記溶融工程において、異なる波長のレーザ光を複数配置し、複数の線材材料粉末を供給し、個々の線材材料粉末の光吸収の高い波長のレーザ光によりそれぞれ溶融条件を最適化し線材を形成することを特徴とする請求項１、６～９のいずれか一つに記載の線材の製造方法。
11. 前記溶融工程において、複数のレーザ光は、その焦点位置を線材材料粉末の供給される軸方向に対して複数配置され、線材材料粉末の進行方向に対してレーザ光照射距離を最適化し線材を形成することを特徴とする請求項１、６～１０のいずれか一つに記載の線材の製造方法。
12. 前記線材を形成する基板が回転体に取り付けてあり、その回転体が形成された線材を巻き取ることを特徴とする請求項１に記載の線材の製造方法。
13. 前記供給工程において、複数の異なる前記線材材料の粉末の供給量を変化させることで、長手方向において組成比が変化する線材を形成する
    ことを特徴とする請求項１に記載の線材の製造方法。
14. 前記供給工程において、前記金属材料の粉末に抵抗調整用添加物を、添加量を変化させながら混入させて供給し、
    長手方向において抵抗率が変化する金属ワイヤを形成する
    ことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一つに記載の線材の製造方法。
15. 前記供給工程において、前記金属材料を途中で切り替えて供給し、
    長手方向において構成材料が途中で切り替わる金属ワイヤを形成する
    ことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一つに記載の線材の製造方法。

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