JP5931948B2 - ノズル、積層造形装置、および積層造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ノズル、積層造形装置、および積層造形物の製造方法に関する。

従来、積層造形物を形成する積層造形装置が知られている。積層造形装置は、ノズルから材料の粉体を供給するとともにレーザ光を出射することにより粉体を溶融させて材料の層を形成し、当該層を積み重ねることにより積層造形物を形成する。

特開２００９−１９００号公報

この種の装置では、例えば、造形位置への材料の供給をより確実にあるいはより効率よく行うことができれば、有意義である。

実施形態の積層造形装置用のノズルは、出射部と、材料供給部と、を備える。出射部からは、エネルギ線が照射される。材料供給部には、材料の粉体を吐出する材料供給口が設けられる。材料供給部は、吐出された材料とエネルギ線とが交わる位置が変化可能となるように出射部に移動可能に支持される。

図１は、第１実施形態の積層造形装置の概略構成の一例が示された図である。 図２は、第１実施形態のノズルの概略構成の一例が示された側面図である。 図３は、第１実施形態の積層造形装置による造形処理（製造方法）の手順の一例が示された説明図である。 図４は、第１実施形態のノズルの一例の模式的な断面図であって、材料の粉体が第一の向きで供給されている状態が示された図である。 図５は、第１実施形態のノズルの一例の模式的な断面図であって、材料の粉体が第二の向きで供給されている状態が示された図である。 図６は、変形例のノズルの一部の概略構成の一例が示された側面図である。 図７は、第２実施形態のノズルの概略構成の一例が示された側面図である。 図８は、第２実施形態の積層造形装置による造形処理（製造方法）の手順の一例が示されたフローチャートである。

以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成や制御（技術的特徴）、ならびに当該構成や制御によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。

また、以下に開示される実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれる。以下では、同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される。

＜第１実施形態＞
図１に示されるように、積層造形装置１は、処理槽１１や、ステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４、光学装置１５、計測装置１６、制御装置１７等を備えている。

積層造形装置１は、ステージ１２上に配置された対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料１２１を層状に積み重ねることにより、所定の形状の積層造形物１００を造形する。

対象物１１０は、ノズル装置１４によって材料１２１が供給される対象であって、ベース１１０ａおよび層１１０ｂを含む。複数の層１１０ｂがベース１１０ａの上面に積層される。材料１２１は、粉末状の金属材料や樹脂材料等である。造形には、一つ以上の材料１２１が用いられうる。

処理槽１１には、主室２１と副室２２とが設けられている。副室２２は、主室２１と隣接して設けられている。主室２１と副室２２との間には扉部２３が設けられている。扉部２３が開かれた場合、主室２１と副室２２とが連通され、扉部２３が閉じられた場合、主室２１が気密状態になる。

主室２１には、給気口２１ａおよび排気口２１ｂが設けられている。給気装置（図示されず）の動作により、主室２１内に給気口２１ａを介して窒素やアルゴン等の不活性ガスが供給される。排気装置（図示されず）の動作により、主室２１から排気口２１ｂを介して主室２１内のガスが排出される。

また、主室２１内には、移送装置（図示されず）が設けられている。また、主室２１から副室２２にかけて、搬送装置２４が設けられている。移送装置は、主室２１で処理された積層造形物１００を、搬送装置２４に渡す。搬送装置２４は、移送装置から渡された積層造形物１００を副室２２内に搬送する。すなわち、副室２２には、主室２１で処理された積層造形物１００が収容される。積層造形物１００が副室２２に収容された後、扉部２３が閉じられ、副室２２と主室２１とが隔絶される。

主室２１内には、ステージ１２や、移動装置１３、ノズル装置１４の一部、計測装置１６等が設けられている。

ステージ１２は、対象物１１０を支持する。移動装置１３（第一の移動機構）は、ステージ１２を、互いに直交する３軸方向に移動することができる。

ノズル装置１４は、ステージ１２上に位置された対象物１１０に材料１２１を供給する。また、ノズル装置１４のノズル３３は、ステージ１２上に位置された対象物１１０にレーザ光２００を照射する。ノズル装置１４は、複数の材料１２１を並行して供給することができるし、複数の材料１２１のうち一つを選択的に供給することができる。また、ノズル３３は、材料１２１の供給と並行してレーザ光２００を照射する。レーザ光２００は、エネルギ線の一例である。なお、レーザ光以外のエネルギ線を用いてもよい。エネルギ線は、レーザ光のように材料を溶融できるものであればよく、電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などであってもよい。

ノズル装置１４は、供給装置３１や、供給装置３１Ａ、ノズル３３、供給管３４等を有している。材料１２１は、供給装置３１から供給管３４を経てノズル３３へ送られる。また、気体は、供給装置３１Ａから、供給管３４Ａを経てノズル３３へ送られる。

供給装置３１は、タンク３１ａと、供給部３１ｂと、を含む。タンク３１ａには、材料１２１が収容される。供給部３１ｂは、タンク３１ａの材料１２１を所定量供給する。供給装置３１は、粉状の材料１２１が含まれたキャリアガス（気体）を供給する。キャリアガスは、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスである。また、供給装置３１Ａは、供給部３１ｂを含む。供給装置３１Ａは、供給装置３１が供給するのと同種のガス（気体）を供給する。

図２にも示されるように、ノズル３３は、出射部３３０と、一つ以上（例えば二つ）の材料供給部３３１と、を有する。以下では、説明の便宜上、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向が規定される。Ｘ方向は、図２では左右方向であり、Ｙ方向は、図２は紙面と垂直な方向であり、Ｚ方向は、図２では上下方向である。ステージ１２、積層造形物１００、対象物１１０、ベース１１０ａ、および層１１０ｂの上面は、Ｘ方向とＹ方向との平面に略沿って広がる。積層造形装置１では、ノズル３３およびステージ１２のうち少なくとも一方がＸ方向およびＹ方向に移動することによりノズル３３とステージ１２とが相対的に移動し、Ｘ方向およびＹ方向の平面に沿って材料１２１の層１１０ｂが形成される。そして、材料１２１の層１１０ｂが順次Ｚ方向に積層されることで、立体的な積層造形物１００が形成される。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向や横方向等と称されうる。Ｚ方向は、鉛直方向や、垂直方向、高さ方向、厚さ方向、縦方向等と称されうる。

出射部３３０は、ケーブル２１０を介して光学系４２に接続されている。出射部３３０からは、造形位置に向けて、レーザ光２００が出射される。また、材料供給部３３１のそれぞれには、供給装置３１から供給管３４を介して材料１２１の粉体が供給されるとともに、供給装置３１Ａから給気管３４Ａを介して気体が供給される。材料供給部３３１からは、造形位置に向けて材料が供給されるとともに、材料とは別に気体が供給される。材料とは別に供給される気体はシールドガスとして機能する。

また、材料供給部３３１は、出射部３３０に、それぞれ、回転中心Ａｘ回りに回動可能に支持されている。材料供給部３３１が回動することにより、材料１２１の粉体が供給される向き（角度、方向）が変化する。回転中心Ａｘの軸方向は、例えば、レーザ光２００の出射方向と直交する面に沿う方向に設定され、材料供給部３３１が回動することにより、材料１２１の粉体の供給方向（開口部３３３（図４参照）の軸方向、開口方向、Ｚ方向）が、レーザ光２００の光路と交わった状態で当該光路に沿って変化するよう、設定される。材料供給部３３１の回動角度は、手動で設定されるように構成されてもよいし、自動的（電気的に）に変化するように構成されてもよい。なお、材料１２１の粉体が供給される向きの変化に関する材料供給部３３１の可動支持の態様は、本実施形態の構造には限定されず、例えば、材料供給部３３１は出射部３３０にスライド可能、すなわち移動可能に、支持されてもよい。一例としては、材料供給部３３１は、レーザ光２００の出射方向（図２の上下方向）に沿って移動可能に支持されてもよい。出射部３３０は、支持部の一例である。

移動装置７１は、ノズル３３の位置を変化させることができる。移動装置７１により、ノズル３３の位置が、レーザ光２００の出射方向に沿って変化することで、ノズル３３と造形位置との距離が変化する。移動装置７１は、信号線２２０を介して制御装置１７に接続されている。移動装置７１は、ノズル３３を図２の上下方向に動かすことができる。移動装置７１は、例えば、リニアアクチュエータや、モータ、リンク機構等を有して構成されうる。

また、図１に示されるように、光学装置１５は、光源４１と、光学系４２と、を備えている。光源４１は、発振素子（図示されず）を有し、発振素子の発振によりレーザ光２００を出射する。光源４１は、出射するレーザ光のパワー密度を変更することができる。

光源４１は、ケーブル２１０を介して光学系４２に接続されている。光源４１から出射されたレーザ光２００は、光学系４２を経てノズル３３に入る。ノズル３３は、レーザ光２００を、対象物１１０や、対象物１１０に向けて噴射された材料１２１に照射する。

光学系４２は、具体的には、第１レンズ５１や、第２レンズ５２、第３レンズ５３、第４レンズ５４、ガルバノスキャナ５５等を、備えている。第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４は、固定されている。なお、光学系４２は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４を、２軸方向、具体的には光路に対して交叉する方向（例えば、直交方向）に移動可能な調整装置を備えてもよい。

第１レンズ５１は、ケーブル２１０を介して入射されたレーザ光２００を平行光に変換する。変換されたレーザ光２００は、ガルバノスキャナ５５に入射する。

第２レンズ５２は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第２レンズ５２で収束されたレーザ光２００は、ケーブル２１０を経てノズル３３に至る。

第３レンズ５３は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第３レンズ５３で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。

第４レンズ５４は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束する。第４レンズ５４で収束されたレーザ光２００は、対象物１１０上に照射される。

ガルバノスキャナ５５は、第１レンズ５１で変換された平行光を、第２レンズ５２、第３レンズ５３、および第４レンズ５４のそれぞれに入る光に分ける。ガルバノスキャナ５５は、第１ガルバノミラー５７と、第２ガルバノミラー５８と、第３ガルバノミラー５９と、を備えている。各ガルバノミラー５７，５８，５９は、光を分けるとともに、傾斜角度（出射角度）を変化することができる。

第１ガルバノミラー５７は、第１レンズ５１を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第２ガルバノミラー５８に出射する。また、第１ガルバノミラー５７は、レーザ光２００の他部を反射させ、反射したレーザ光２００を第４レンズ５４に出射する。第１ガルバノミラー５７は、その傾斜角度によって、第４レンズ５４を通過したレーザ光２００の照射位置を変化させる。

第２ガルバノミラー５８は、第１ガルバノミラー５７を通過したレーザ光２００の一部を通過させ、通過したレーザ光２００を第３ガルバノミラー５９に出射する。また、第２ガルバノミラー５８は、レーザ光２００の他部を反射させ、反射したレーザ光２００を第３レンズ５３に出射する。第２ガルバノミラー５８は、その傾斜角度によって、第３レンズ５３を通過したレーザ光２００の照射位置を変化させる。

第３ガルバノミラー５９は、第２ガルバノミラー５８を通過したレーザ光２００の一部を第２レンズ５２に出射する。

光学系４２では、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、および第３レンズ５３によって、溶融装置４５が構成されている。溶融装置４５は、レーザ光２００の照射によって、ノズル３３から対象物１１０に供給された材料１２１（１２３）を加熱することにより、層１１０ｂを形成するとともにアニール処理を行う。

また、光学系４２では、材料１２１の除去装置４６が構成されている。除去装置４６は、ベース１１０ａ上または層１１０ｂに形成された不要な部位をレーザ光２００の照射によって除去する。除去装置４６は、具体的には、ノズル３３による材料１２１の供給時における材料１２１の飛散によって発生する不要部位や、層１１０ｂの形成時に発生する不要部位等の、積層造形物１００の所定の形状とは異なる部位を除去する。除去装置４６は、当該不要部位を除去するのに足りるパワー密度を有するレーザ光２００を出射する。

計測装置１６は、固化した層１１０ｂの形状および造形された積層造形物１００の形状を計測する。計測装置１６は、計測した形状の情報を制御装置１７に送信する。計測装置１６は、例えば、カメラ６１と、画像処理装置６２と、を備えている。画像処理装置６２は、カメラ６１で計測した情報に基づいて画像処理を行う。なお、計測装置１６は、例えば、干渉方式や光切断方式等によって、層１１０ｂおよび積層造形物１００の形状を計測する。

移動装置７１（第一の移動機構）は、ノズル３３を互いに直交する３軸方向に移動することができる。

制御装置１７は、移動装置１３、搬送装置２４、供給装置３１、供給装置３１Ａ、光源４１、ガルバノスキャナ５５、画像処理装置６２、および移動装置７１（図２参照）に、信号線２２０を介して電気的に接続されている。

制御装置１７は、移動装置１３を制御することで、ステージ１２を３軸方向に移動させる。制御装置１７は、搬送装置２４を制御することで、造形した積層造形物１００を副室２２に搬送する。制御装置１７は、供給装置３１を制御することで、材料１２１の供給の有無ならびに供給量を調整する。制御装置１７は、光源４１を制御することで、光源４１から出射されるレーザ光２００のパワー密度を調整する。制御装置１７は、ガルバノスキャナ５５を制御することで、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８、および第３ガルバノミラー５９の傾斜角度を調整する。また、制御装置１７は、移動装置７１を制御することで、ノズル３３の位置を制御する。

制御装置１７は、記憶部１７ａを備えている。記憶部１７ａには、造形する積層造形物１００の形状（参照形状）を示すデータ等が記憶されている。また、記憶部１７ａには、３次元の処理位置（各点）毎のノズル３３とステージ１２との高さを示すデータ等が記憶されている。

制御装置１７は、ノズル３３から複数の異なる材料１２１を選択的に供給し、複数の材料１２１の比率を調整（変更）する機能を備えることができる。例えば、制御装置１７は、記憶部１７ａに記憶された各材料１２１の比率を示すデータに基づいて、当該比率で材料１２１の層１１０ｂが形成されるよう、供給装置３１等を制御する。この機能により、積層造形物１００の位置（場所）によって複数の材料１２１の比率が変化（漸減または漸増）する傾斜材料（傾斜機能材料）を造形することができる。具体的には、例えば、層１１０ｂの形成に際し、制御装置１７が、積層造形物１００の３次元座標の各位置に対応して設定された（記憶された）材料１２１の比率となるように、供給装置３１を制御することにより、積層造形物１００を、材料１２１の比率が３次元の任意の方向に変化する傾斜材料（傾斜機能材料）として造形することが可能である。単位長さあたりの材料１２１の比率の変化量（変化率）も、種々に設定することが可能である。

制御装置１７は、材料１２１の形状を判断する機能を備えている。例えば、制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較することで、所定の形状でない部位が形成されているか否かを判断する。

また、制御装置１７は、材料１２１の形状の判断により所定の形状でない部位と判断された不要な部位を除去することで、材料１２１を所定の形状にトリミングする機能を備えている。例えば、制御装置１７は、まず、所定の形状とは異なる部位に材料１２１が飛散して付着している場合に、第１ガルバノミラー５７を介して第４レンズ５４から出射されたレーザ光２００が材料１２１を蒸発可能なパワー密度となるように光源４１を制御する。次いで、制御装置１７は、第１ガルバノミラー５７を制御して、レーザ光２００を、当該部位に照射して材料１２１を蒸発させる。

次に、図３を参照し、積層造形装置１による積層造形物１００の製造方法について説明する。図３に示されるように、まずは、材料１２１の供給およびレーザ光２００の照射が行われる。制御装置１７は、材料１２１がノズル３３から所定の範囲に供給されるよう供給装置３１，３１Ａ等を制御するとともに、供給された材料１２１がレーザ光２００によって溶融するよう、光源４１やガルバノスキャナ５５等を制御する。これにより、図３に示されるように、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを形成する範囲に、溶融した材料１２３が所定の量だけ供給される。材料１２３は、ベース１１０ａや層１１０ｂに噴射されると、変形して層状または薄膜状等の材料１２３の集合となる。あるいは、材料１２３は、材料１２１を運ぶガス（気体）によって冷却されるか若しくは材料１２１の集合への伝熱によって冷却されることにより、粒状で積層され、粒状の集合となる。

次に、積層造形装置１では、アニール処理が行われる。制御装置１７は、ベース１１０ａ上の材料１２３の集合にレーザ光２００が照射されるよう、光源４１や溶融装置４５等を制御する。これにより、材料１２３の集合が再溶融されて層１１０ｂになる。

次に、積層造形装置１では、形状計測が行われる。制御装置１７は、アニール処理が行われたベース１１０ａ上の材料１２３を計測するよう、計測装置１６を制御する。制御装置１７は、計測装置１６で取得された層１１０ｂまたは積層造形物１００の形状と、記憶部１７ａに記憶された参照形状と比較する。

次に、積層造形装置１では、トリミングが行われる。制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、例えば、ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状とは異なる位置に付着していたことが判明した場合には、不要な材料１２３が蒸発するよう、光源４１や除去装置４６等を制御する。一方、制御装置１７は、形状計測ならびに参照形状との比較により、層１１０ｂが所定の形状であったことが判明した場合には、トリミングを行わない。

上述した層１１０ｂの形成が終了すると、積層造形装置１は、当該層１１０ｂの上に、新たな層１１０ｂを形成する。積層造形装置１は、層１１０ｂを反復的に積み重ねることにより、積層造形物１００を造形する。

ここで、図４，５が参照され、本実施形態の例示的なノズル３３の詳細な構成および機能が説明される。ノズル３３は、出射部３３０と、一つ以上（例えば二つ）の材料供給部３３１と、を有する。出射部３３０は、細長い形状を有し、例えば、窒化ホウ素（セラミック材料）等、耐熱性の高い材料で構成される。出射部３３０の長手方向（軸方向）は、例えば、Ｚ方向に沿う。出射部３３０の短手方向（幅方向）は、例えば、Ｘ方向およびＹ方向に沿う。出射部３３０は、例えば、円柱状の外観を呈している。また、出射部３３０のレーザ光２００の出射方向の端部には、出射方向に向かうにつれて細くなる先細り部分が設けられている。出射部３３０は、外面（面）としての、下面３３０ａや、側面３３０ｂ等を有する。下面３３０ａは、出射部３３０の長手方向の端部（下端）に位置され、端面とも称されうる。下面３３０ａは、ステージ１２や、積層造形物１００、対象物１１０等と面する。下面３３０ａは、平面状に形成されている。側面３３０ｂは、出射部３３０の短手方向の端部に位置され、周面とも称され得る。側面３３０ｂは、円柱面状に形成されている。

出射部３３０の下面３３０ａの中央部には、開口部３３２が開口されている。開口部３３２は、出射部３３０の長手方向に沿って延びている。開口部３３２の、短手方向に沿う断面、すなわち長手方向と直交する断面は、円形である。開口部３３２の直径は、先端側に向けて徐々に小さくなるよう形成されてもよい。開口部３３２には、ケーブル２１０（図１参照）等を介してレーザ光２００が導入される。開口部３３２は、レーザ光２００の通路であり、出射口の一例である。

材料供給部３３１は、細長い形状を有し、例えば金属材料で構成される。材料供給部３３１の長手方向（軸方向）は、例えば、ＸＹ平面ならびにＺ方向と交差した方向（斜め方向）に沿っている。材料供給部３３１は、先細り部分を有した円柱状の外観を呈している。材料供給部３３１は、外面（面）としての、下面３３１ａや、側面３３１ｂ等を有する。下面３３１ａは、材料供給部３３１の長手方向の端部（下端）に位置され、端面とも称されうる。下面３３１ａは、ステージ１２や、積層造形物１００、対象物１１０等と面する。下面３３１ａは、平面状に形成されている。側面３３１ｂは、材料供給部３３１の短手方向の端部に位置され、周面とも称され得る。側面３３１ｂは、円柱面状に形成されている。

材料供給部３３１の下面３３１ａには、開口部３３３，３３４が開口されている。開口部３３３，３３４は、それぞれ、材料供給部３３１の長手方向に沿って互いに平行に延びている。開口部３３３は開口部３３４よりも出射部３３０の中心側（中心軸側）に位置されている。開口部３３３，３３４の、短手方向に沿う断面、すなわち長手方向と直交する断面は、円形である。

開口部３３３には、供給管３４（図１参照）等を介して、供給装置３１が接続されている。開口部３３３は、処理領域（造形位置Ｐｓ）に供給される材料１２１の粉体の通路である。また、開口部３３４は、供給管３４Ａ（図１参照）等を介して、供給装置３１Ａが接続されている。開口部３３４は、処理領域に供給される気体の通路である。開口部３３４から供給される気体は、例えば、シールドガスとして用いられる。なお、開口部３３４の、短手方向に沿う断面は、開口部３３３を開口部３３２とは反対側から囲う形状（例えば円弧状や、Ｃ字状等）であってもよい。

図４，５に示されるように、出射部３３０から対象物１１０に向けて照射されるレーザ光２００（光路）は、対象物１１０に向けて集束されている。このため、ノズル３３と対象物１１０との距離（Ｚ方向の距離）、すなわちノズル３３のＺ方向の位置を変化させることで、造形位置Ｐｓ（照射位置）でのレーザ光２００の光径Ｄ１，Ｄ２を変化させることができる。レーザ光２００の光径は、最も集光された状態で最も小さく、この状態からは、ノズル３３と対象物１１０との距離が大きくなるほど大きくなるとともに、ノズル３３と対象物１１０との距離が小さくなるほど大きくなる。図４には、ノズル３３が位置Ｐ１に位置された状態が示され、図５には、ノズル３３が位置Ｐ１よりも対象物１１０の表面から離れた位置Ｐ２に位置された状態が示されている。すなわち、ノズル３３が位置Ｐ２（図５）に位置された状態での出射部３３０の下面３３０ａと造形位置Ｐｓ（対象物１１０の表面）との間の距離Ｈ２は、位置Ｐ１（図４）に位置された状態での距離Ｈ１より大きい（Ｈ２＞Ｈ１）。この場合に、ノズル３３が位置Ｐ１（図４）に位置された状態でのレーザ光２００の造形位置Ｐｓでの光径Ｄ１は、ノズル３３が位置Ｐ２（図５）に位置された状態でのレーザ光２００の造形位置Ｐｓでの光径Ｄ２よりも小さい（Ｄ１＜Ｄ２）。造形位置Ｐｓでのレーザ光２００の光径が小さいほど、より精度の高いより緻密な造形が可能となり、光径が大きいほど、より迅速な造形が可能となる。よって、本実施形態の積層造形装置１は、ノズル３３の位置を変化させることにより、例えば、より精度の高い造形が必要な部位（造形位置Ｐｓ）については、図４に示されるように、より小さい光径Ｄ１で造形処理を実行し、より迅速な造形が必要な部位（造形位置Ｐｓ）については、図５に示されるように、より大きい光径Ｄ２で造形処理を実行することができる。これにより、造形処理の精度の向上と造形処理の迅速化とが両立されやすい。

また、本実施形態のように、出射部３３０の周囲に材料供給部３３１が配置されたノズル３３では、図４，５に示されるように、材料供給部３３１からの材料１２１の粉体は、レーザ光２００の光路に向けて斜めに供給される。ここで、仮に、材料供給部３３１の出射部３３０に対する姿勢（角度）が固定（一定）であったとすると、材料供給部３３１から供給される材料１２１の粉体の向き（方向）は不変であるため、材料１２１の粉体の供給位置の、出射部３３０の下面３３０ａからの距離は、変化しない。よって、上述したように、例えばレーザ光２００の光径を変えるために、ノズル３３と対象物１１０との距離を変化させると、材料１２１の粉体を造形位置Ｐｓに供給するのが難しくなる。具体的には、ノズル３３を図４，５の上方へ移動させると材料１２１の粉体の供給位置も上方へ移動することになる。この点、本実施形態の材料供給部３３１は、材料１２１の粉体が供給される向き（方向）を変更できるように、構成されている。図４，５に示されるように、ノズル３３が位置Ｐ１（図４）に位置された状態での出射部３３０と材料供給部３３１との角度α１は、ノズル３３が位置Ｐ２（図５）に位置された状態での角度α２よりも大きい。このように、ノズル３３の位置に応じて材料供給部３３１の角度α１，α２（姿勢）が適宜に設定されることにより、開口部３３３から材料１２１の粉体が供給される向きが造形位置Ｐｓからずれるのを抑制できることが、理解できよう。なお、材料１２１の粉体の供給中は、出射部３３０に対する材料供給部３３１の姿勢（角度）は、例えば、固定される。材料供給部３３１の姿勢は、固定具（結合具、例えばねじ、図示されず）を用いて、固定することができる。この場合、固定具による固定を解除あるいは緩和することにより材料供給部３３１の姿勢を変更（調整）できる状態となるよう、構成することができる。

以上のように、本実施形態では、材料供給部３３１を回動（移動）させることにより、材料供給部３３１から材料１２１の粉体が供給される向きを変化させることができる。よって、例えば、材料１２１の粉体が、より確実にあるいはより効率よく供給されやすい。また、本実施形態によれば、例えば、従来装置で用いられていた複数のノズルに替えて一つのノズル３３を用いることができる。よって、材料１２１の粉体の供給効率が増大したり、積層造形装置１がより小型に構成されたりといった、利点が得られる。

また、ノズル３３は、材料１２１の粉体が供給される向きを変更可能な複数の材料供給部３３１を有する。よって、一つの材料供給部３３１から材料１２１の粉体が供給される場合に比べて、例えば、材料１２１の粉体をより迅速に供給できたり、材料１２１の粉体のむら（ばらつき）が減ったりといった、利点が得られる。

また、積層造形装置１では、材料供給部３３１から図４の造形位置Ｐｓ（第一の造形位置）へ第一の向きで材料１２１の粉体が供給されるとともに出射部３３０からレーザ光２００が出射されることにより、当該造形位置Ｐｓ（第一の造形位置）での造形が行われ、材料供給部３３１から図５の造形位置Ｐｓ（第二の造形位置）へ第二の向きで材料１２１の粉体が供給されるとともに出射部３３０からレーザ光２００が出射されることにより、当該造形位置Ｐｓ（第二の造形位置）での造形が行われる。よって、例えば、造形位置Ｐｓに応じて、材料１２１の粉体がより確実にあるいはより効率よく供給されうる。

＜第１実施形態の変形例＞
図６に示される本変形例のノズル３３Ａは、上記実施形態と同様の構成を備えている。よって、本変形例でも、上記実施形態と同様の構成に基づく同様の結果（効果）が得られる。なお、図６には、一つの材料供給部３３１のみが示されているが、本変形例のノズル３３Ａは、複数の材料供給部３３１を有することができる。ただし、本変形例では、材料供給部３３１は、出射部３３０（支持部）に着脱可能に支持されている。具体的には、材料供給部３３１の側面３３１ｂの先端部分には、テーパ面３３１ｃが形成されている。また、出射部３３０には、材料供給部３３１を着脱可能に支持するホルダ３３５が設けられている。ホルダ３３５は、アーム部３３５ａと、可動部３３５ｂと、を有する。アーム部３３５ａは、出射部３３０から突出している。アーム部３３５ａは、出射部３３０に固定されている。可動部３３５ｂは、アーム部３３５ａに、回動中心Ａｘ回りに回動可能に支持されている。回転中心Ａｘの軸方向は、例えば、レーザ光２００の出射方向と直交する面に沿う方向に設定され、可動部３３５ｂとともに当該可動部３３５ｂに装着された材料供給部３３１が回動することにより、材料１２１の粉体の供給方向（開口部３３３の軸方向、開口方向、Ｚ方向）が、レーザ光２００の光路と交わった状態で当該光路に沿って変化するよう、設定される。可動部３３５ｂは、材料１２１の粉体の供給中は、例えば、設定された姿勢（角度）で出射部３３０に固定される。可動部３３５ｂは、環状（リング状）に形成され、環内にすり鉢状の支持面３３５ｃ（内面）を有している。支持面３３５ｃは、材料供給部３３１に設けられたテーパ面３３１ｃと対応した形状（曲率半径、傾斜等）を有している。材料供給部３３１は、図６の上側から、支持面３３５ｃがテーパ面３３１ｃと接触する位置まで、図６の下側に向けて可動部３３５ｂに挿入され、この位置で、固定具（結合具、例えばねじ、図示されず）によって、可動部３３５ｂと固定（結合）される。固定具による固定を解除することにより、材料供給部３３１を可動部３３５ｂから取り外すことができる。なお、固定具を固定することにより、アーム部３３５ａと可動部３３５ｂとの角度も固定されるように構成されてもよい。このように、材料供給部３３１を出射部３３０（支持部）に着脱可能に構成することにより、例えば、材料供給部３３１をより容易に交換することができる。よって、例えば、材料供給部３３１をより容易にメンテナンスできたり、材料供給部３３１を別の材料１２１の粉体を供給する材料供給部３３１により容易に交換できたり、といった、種々の効果が得られる。ホルダ３３５は、支持部の一例である。なお、着脱可能とする構成は、上記変形例には限定されない。

＜第２実施形態＞
本変形例のノズル３３Ｂは、上記実施形態や変形例と同様の構成を備えている。よって、本実施形態でも、上記実施形態や変形例と同様の構成に基づく同様の結果（効果）が得られる。ただし、図７に示されるように、本実施形態のノズル３３Ｂは、材料供給部３３１の姿勢を変化させる移動装置８１を備えている。移動装置８１は、信号線２２０を介して制御装置１７（図１参照）に電気的に接続されている。移動装置８１は、例えば、リニアアクチュエータや、モータ、リンク機構等を有して構成されうる。制御装置１７は、材料供給部３３１が所期の姿勢となるよう、移動装置８１を制御する。なお、制御装置１７は、造形処理中には材料供給部３３１の姿勢が変化しないよう（維持されるよう）、制御装置１７を制御することができる。制御装置１７の記憶部１７ａ（図１）には、移動装置８１の姿勢の制御に用いられる情報（データ）が記憶されている。移動装置８１は、第二の移動装置の一例である。

ここで、図８が参照されながら、ノズル３３Ｂにおける材料供給部３３１の姿勢の調整手順（変更手順）が説明される。まず、制御装置１７は、ノズル３３Ｂによる造形位置Ｐｓ（図４参照）の位置情報を取得する（Ｓ１０）。位置情報は、例えば、造形位置Ｐｓの３次元の位置座標に対応する情報であってもよいし、層１１０ｂ毎の情報であってもよいし、層１１０ｂ内の領域毎の情報であってもよい。次に、制御装置１７は、造形位置Ｐｓに対応した、ノズル３３Ｂの高さおよび材料供給部３３１の角度の情報を取得する（Ｓ１１）。Ｓ１１で用いられる高さおよび角度の情報は、位置情報と対応づけて、記憶部１７ａに記憶されている。高さの情報は、例えば、移動装置７１の制御量であることができ、角度の情報は、例えば、移動装置８１の制御量であることができる。なお、高さの情報や角度の情報は、高さや角度そのものを示すデータであってもよいし、高さや角度に対応したパラメータの情報であってもよい。次に、制御装置１７は、Ｓ１１で取得した高さの情報および角度の情報に基づいて、移動装置７１，８１を制御する（Ｓ１２）。これにより、ノズル３３Ｂ、すなわち、出射部３３０および材料供給部３３１が、造形位置Ｐｓに対応した所期の位置および姿勢（角度）となる。すなわち、図４，５に示されるように、各造形位置Ｐｓにおいて、当該造形位置Ｐｓに対応した光径Ｄ１，Ｄ２でレーザ光２００が照射されるとともに、造形位置Ｐｓに対応した向きで材料１２１の粉体が供給される状態が、得られる。なお、光径Ｄ１，Ｄ２は、位置情報に対応づけて設定されうる。次に、制御装置１７は、所期の位置ならびに姿勢となったノズル３３Ｂによって、造形位置Ｐｓに対して造形処理を実行する（Ｓ１３）。積層造形装置１は、このような処理を実行することで、層１１０ｂ（図４，５参照）を形成する。

このように、制御装置１７（制御部）は、造形位置Ｐｓとノズル３３Ｂ（材料供給部３３１）との距離の変化に応じて、材料供給部３３１から材料１２１の粉体が供給される向きが変化するよう、移動装置８１（第二の移動機構）を制御する。よって、例えば、材料１２１の粉体が、造形位置Ｐｓに、より確実にあるいはより効率よく供給されうる。

また、積層造形装置１では、造形位置Ｐｓとノズル３３Ｂ（材料供給部３３１）との距離の変化に応じて、造形位置Ｐｓにおけるレーザ光２００の光径が変化する。よって、比較的容易にレーザ光２００の光径が変更されやすい。よって、造形の精度や効率が高まりやすい。そして、当該光径を変化させる機能を有した場合にあっても、造形位置Ｐｓに、より確実にあるいはより効率よく、材料１２１の粉体が供給されうる。

また、積層造形装置１では、レーザ光２００の光径の変化に応じて、材料供給部３３１から材料１２１の粉体が供給される向きが変化する。よって、光径の変化に対応して材料１２１の粉体がより確実にあるいはより効率よく供給される状態が、得られやすい。なお、レーザ光２００の光径の変化は、ノズル３３Ｂの移動によらずとも実現されうる。すなわち、ノズル３３Ｂの移動を伴わずにレーザ光２００の光径が変化する場合にも、当該造形位置Ｐｓに対して、より確実にあるいはより効率よく、材料１２１の粉体が供給されうる。

以上、本発明の実施形態および変形例を例示したが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。本発明は、上記の実施形態および変形例に開示される構成や制御（技術的特徴）以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、技術的特徴によって得られる種々の結果（効果、派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることができる。例えば、材料供給部の姿勢や位置が変わらずに、材料供給部の内部やキャリアガス等の変化によって材料の粉体が供給される向きが変わる構成であってもよい。

また、例えば、積層造形装置は、複数の材料供給部のそれぞれから異なる材料の粉体が供給されるよう構成あるいは使用されてもよいし、その場合、各材料供給部から供給される材料の粉体の量や比率が可変制御されてもよい。例えば、積層造形装置は、複数の材料供給部のそれぞれが、３次元での造形位置に応じて変化する供給量で材料の粉体を供給することにより、材料の比率が２次元的あるいは３次元的に徐々に変化する傾斜材料（傾斜機能材料）が造形されるよう、構成されうる。また、各材料供給部による材料の供給位置（材料供給部の方向、姿勢、角度、位置等）は、材料の種類や流量（供給量、吐出量）に応じてそれぞれ異なるように制御されてもよい。

１…積層造形装置、１３…移動装置（第一の移動機構）、１７…制御装置（制御部）、３３，３３Ａ，３３Ｂ…ノズル、４１…光源、７１…移動装置（第一の移動機構）、８１…移動装置（第二の移動機構）、１００…積層造形物、１１０…対象物、２００…レーザ光（エネルギ線）、３３０…出射部（支持部）、３３１…材料供給部、３３３…開口部（材料供給口）、３３５…ホルダ（支持部）、Ｄ１，Ｄ２…光径、Ｐｓ…造形位置。

Claims (15)

1. エネルギ線が照射される出射部と、
   材料の粉体を吐出する材料供給口が設けられ、吐出された前記材料と前記エネルギ線とが交わる位置が変化可能となるように前記出射部に移動可能に支持された材料供給部と、
   を備えた、積層造形装置用のノズル。
2. 前記材料供給部は、前記紛体を吐出する向きが変化可能に前記出射部に支持された、請求項１に記載のノズル。
3. 前記材料供給部は、前記出射部にスライド可能に支持された、請求項１に記載のノズル。
4. 前記材料供給部は、前記出射部に、前記エネルギ線の出射方向に沿ってスライド可能に支持された、請求項３に記載のノズル。
5. 前記材料供給部は、前記出射部に着脱可能に設けられた、請求項１〜４のうちいずれか一つに記載のノズル。
6. 複数の前記材料供給部を備えた、請求項１〜５のうちいずれか一つに記載のノズル。
7. エネルギ線を発生する光源と、
   前記エネルギ線が出射される出射部と、
   材料の粉体を吐出する材料供給口が設けられ、吐出された前記材料と前記エネルギ線とが交わる位置が変化可能となるように前記出射部に移動可能に支持された材料供給部と、
   造形位置と前記材料供給部との相対的な位置を変化させる第一の移動機構と、
   を備えた、積層造形装置。
8. 前記材料供給部は、前記材料供給口から前記粉体を吐出する向きが変化可能に前記出射部に支持された請求項７に記載の積層造形装置。
9. 前記材料供給部を移動させる第二の移動機構と、
   前記第二の移動機構を制御する制御部と、
   を備えた、請求項８に記載の積層造形装置。
10. 前記第一の移動機構は、造形位置と前記材料供給部との距離を変化可能である、請求項９に記載の積層造形装置。
11. 前記造形位置におけるエネルギ線の光径が変化する、請求項１０に記載の積層造形装置。
12. 前記制御部は、前記造形位置におけるエネルギ線の光径の変化に応じて前記粉体を吐出する向きが変化するよう、前記第二の移動機構を制御する、請求項９〜１１のうちいずれか一つに記載の積層造形装置。
13. 前記材料供給部は、前記出射部にスライド可能に支持された、請求項９〜１２のうちいずれか一つに記載の積層造形装置。
14. 前記材料供給部は、前記出射部に、前記エネルギ線の出射方向に沿ってスライド可能に支持された、請求項１３に記載の積層造形装置。
15. 請求項７〜１４のうちいずれか一つに記載の積層造形装置の前記材料供給部から第一の造形位置へ第一の角度で前記材料の粉体を吐出するとともに前記出射部から前記エネルギ線が前記第一の造形位置へ出射されて造形することと、
    前記材料供給部から第二の造形位置へ第二の角度で前記材料の粉体を吐出するとともに前記出射部から前記エネルギ線が前記第二の造形位置へ出射されて造形することと、
    を含む、積層造形物の製造方法。

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