(57)【要約】【課題】構造物を製造する過程において当該構造物内の所望の領域に圧縮残留応力を付与可能な付加製造技術を提供する。【解決手段】本実施形態によれば、付加製造機１０は、基盤１１の表面１１ａ又は固化した層７の頂面７ｃ上に新たな層８を形成して当該層８を構造物５に付加する層形成用ヘッド２０と、基盤１１より上側に形成された製造中の構造物５の固化した表面７ｃ，８ｃ，７ｅ，８ｅのうち所定の領域に断続的に衝撃力を加えるピーニング用ヘッド３０とを有する。ピーニング用ヘッド３０は、層８が付加される方向である積層方向（矢印Ｚ）に対して傾斜するよう駆動されて、当該表面７ｃ，８ｃ，７ｅ，８ｅのうち、積層方向に垂直な頂面７ｃ，８ｃに衝撃力を加えることが可能なものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基盤の表面又は固化した層の頂面上に新たな層を形成して当該層を構造物に付加する層形成用ヘッドと、
前記層形成用ヘッドに対して独立して移動可能に構成され、前記基盤より上側に形成された製造中の構造物の固化した表面のうち所定の領域に断続的に衝撃力を加えるピーニング用ヘッドであって、層が付加される方向である積層方向に対して傾斜するよう駆動されて、当該表面のうち、当該積層方向に垂直な頂面に衝撃力を加えることが可能なピーニング用ヘッドと、
を備えることを特徴とする付加製造機。
【請求項２】
前記層形成用ヘッドを駆動して、当該層形成用ヘッドを三次元的に変位させることが可能な第１ヘッド駆動機構と、
前記ピーニング用ヘッドを駆動して、当該ピーニング用ヘッドを三次元的に変位させると共に、前記積層方向に対して傾斜するよう当該ピーニング用ヘッドを移動させる第２ヘッド駆動機構と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の付加製造機。
【請求項３】
第２ヘッド駆動機構は、前記ピーニング用ヘッドを、前記層形成用ヘッドに比べて高い自由度で移動させる
ことを特徴とする請求項２に記載の付加製造機。
【請求項４】
第１ヘッド駆動機構は、前記積層方向に略一致するＺ軸方向と、水平方向のうち当該Ｚ軸方向に垂直なＹ軸方向と、当該Ｚ軸方向及び当該Ｙ軸方向に垂直なＸ軸方向のそれぞれの方向において所望の位置に前記層形成用ヘッドを移動させるものであり、
第２ヘッド駆動機構は、
前記Ｚ軸方向、前記Ｙ軸方向及び前記Ｘ軸方向のそれぞれの方向において所望の位置に前記ピーニング用ヘッドを移動させると共に、前記積層方向に対して前記ピーニング用ヘッドが傾斜するよう移動させる
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の付加製造機。
【請求項５】
前記ピーニング用ヘッドは、
レーザ光を前記製造中の構造物の表面に向けて収束させる収束レンズと、
当該収束レンズから前記表面に向けてレーザ光を通すと共に、ガス供給源から酸素濃度が一定値以下のガスの供給を受けて、当該表面のうちレーザ光が照射される領域に向かう当該ガスの流れを形成するノズルと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の付加製造機。
【請求項６】
前記ピーニング用ヘッドは、
レーザ光源からのレーザ光を、前記製造中の構造物の表面に向けて収束させる収束レンズと、
当該収束レンズから前記表面に向けてレーザ光を通すと共に、液体供給源から液体の供給を受けて、当該表面のうちレーザ光が照射される領域に向かう液体の流れを形成するノズルと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の付加製造機。
【請求項７】
前記基盤を少なくとも部分的に囲うように配置されており、当該基盤の表面上から流れ落ちた液体を、その底部において受けるドレンパンと、
当該ドレンパンの前記底部に貯留された液体を、外部に排出する液体排出口と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の付加製造機。
【請求項８】
前記ピーニング用ヘッドは、
乾燥ガス供給源から乾燥ガスの供給を受けて、前記製造中の構造物の表面のうちレーザ光が照射される領域又はその近傍に向かう乾燥ガスの流れを形成する乾燥ガスノズルを、
さらに有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の付加製造機。
【請求項９】
前記基盤及び当該基盤より上側にある製造中の構造物を加熱するヒータを、
さらに備えることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の付加製造機。
【請求項１０】
前記製造中の構造物の表面形状を測定可能な形状測定装置を、
さらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の付加製造機。
【請求項１１】
材料で構成された層を一層ずつ構造物に付加する付加製造方法であって、
層形成用ヘッドにより、基盤の表面又は固化した層の頂面上に新たな層を形成して当該層を構造物に積層方向に付加する複数の層形成ステップと、
前記層形成用ヘッドに対して独立して移動可能なピーニング用ヘッドにより、前記基盤より上側に形成された製造中の構造物の固化した表面に断続的に衝撃力を加える複数のピーニングステップと、
を有する
ことを特徴とする付加製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、材料で構成された層を一層ずつ構造物に付加する付加製造技術に関し、特に、構造物内の所望の領域に圧縮残留応力を付与するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元形状の構造物を製造する技術には、材料で構成された薄い層を一層ずつ付加し、接合する製造技術、いわゆるアディティブ・マニュファクチャリング（ＡＭ：additive manufacturing、以下、単に「付加製造」と記す）」がある。付加製造技術により、内部の形状が複雑な構造物を比較的容易に製造することができ、例えば、複数の部品を接合する場合に比べて、少ない部品数で、三次元形状の構造物を製造することができる。また、鋳造に比べて寸法精度の高い構造物を製造することが可能である。
【０００３】
例えば、付加製造の過程において、電子ビーム溶融（ＥＢＭ：electron beam melting）処理又は選択的レーザ溶融（ＳＬＭ：selective laser melting）処理により、金属粉末の層を一つずつ溶融させることにより、当該層を均質な固体塊状物にする技術が提案されている。また、付加製造技術により製造された構造物（造形物）の外表面にピーニングマシンにより衝撃を与え、当該構造物に圧縮残留応力を付与することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１３５９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した付加製造技術により金属製の構造物を製作する場合、金属の粉末材料は、加熱されて溶融し、その後、冷却されて凝固する。このため、製造過程において構造物の内部に収縮する方向の熱応力が生じ、当該熱応力に起因して、構造物が所望の形状とならないことや、引張方向の残留応力（以下、引張残留応力と記す）が構造物の内部に生じることがある。構造物内に引張残留応力が生じている場合、当該構造物には、引張残留応力に起因する割れ等が生じることがあり、当該構造物の疲労強度等が低下する場合がある。
【０００６】
このような引張残留応力を解消する手法として構造物の外表面に断続的な衝撃力を加えて、当該外表面とその近傍に圧縮方向の残留応力（以下、圧縮残留応力と記す）を付与する手法、いわゆる「ピーニング」がある。構造物の外表面に金属球を高速で衝突させて断続的に衝撃力を加える、いわゆる「ショットピーニング」や、高エネルギー密度のパルス状のレーザ光を照射し、当該外表面を構成する材料の一部が昇華することにより生じるプラズマの圧力を利用して、レーザ光が照射された領域に衝撃力を加える、いわゆるレーザピーニングがある。
【０００７】
これらの手法は、完成した構造物への後処理として当該構造物の外表面に衝撃力を加えて圧縮残留応力を付与する技術である。付加製造技術により製造される構造物は、一般的に複雑な内部構造を有しているため、完成した構造物の外表面に衝撃力を加えるのでは、当該構造物内にある所望の領域に圧縮残留応力を付与するのは、困難である。特に、内部に空洞等を有する場合、外表面に加えた衝撃力を、当該空洞に面する所望の領域に伝達させて、当該領域に圧縮残留応力を付与することは、困難である。
【０００８】
本発明の実施形態は、上記に鑑みてなされたものであって、構造物を製造する過程において当該構造物内の所望の領域に圧縮残留応力を付与可能な付加製造技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の付加製造機は、基盤の表面又は固化した層の頂面上に新たな層を形成して当該層を構造物に付加する層形成用ヘッドと、前記層形成用ヘッドに対して独立して移動可能に構成され、前記基盤より上側に形成された製造中の構造物の固化した表面のうち所定の領域に断続的に衝撃力を加えるピーニング用ヘッドであって、層が付加される方向である積層方向に対して傾斜するよう駆動されて、当該表面のうち、当該積層方向に垂直な頂面に衝撃力を加えることが可能なピーニング用ヘッドと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の実施形態の付加製造方法は、材料で構成された層を一層ずつ構造物に付加する付加製造方法であって、層形成用ヘッドにより、基盤の表面又は固化した層の頂面上に新たな層を形成して当該層を構造物に積層方向に付加する複数の層形成ステップと、前記層形成用ヘッドに対して独立して移動可能なピーニング用ヘッドにより、前記基盤より上側に形成された製造中の構造物の固化した表面に断続的に衝撃力を加える複数のピーニングステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、構造物を製造する過程において構造物内の所望の領域に圧縮残留応力を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】付加製造技術により製造される構造物の一例を示す斜視図であり、（ａ）は、完成した構造物の外観を示しており、（ｂ）は、完成した構造物の内部の構造と、強化することが求められる強化領域を示している。
【図２】付加製造技術により製造中の構造物の一例を示す斜視図であり、製造中の構造物の頂面上に新たな層が形成されて、当該層が構造物に付加される態様を示す図である。
【図３】第１の実施形態の付加製造機の斜視図である。
【図４】第１の実施形態の付加製造機のうちピーニング用ヘッドの一例を示す縦断面図であり、光ファイバにより伝送されたレーザ光を、製造中の構造物に向けて収束し、新たに付加された層のうち固化した層の表面に照射するレーザヘッドの縦断面図である。
【図５】レーザヘッドの施工距離及び焦点範囲を説明する模式図である。
【図６】第１の実施形態の付加製造機のうち層形成用ヘッド及びピーニング用ヘッドのそれぞれの走査機構を示す斜視図である。
【図７】第２の実施形態の付加製造機の斜視図であり、基盤がドレンパン上に配置されており、ドレンパンの底に溜まった廃液を排出口から排出する態様を示す斜視図である。
【図８】第２の実施形態の付加製造機におけるピーニング用ヘッドと、その周辺構成を説明する模式図である。
【図９】第２の実施形態の付加製造機における変形例のピーニング用ヘッドと、その周辺構成を示す模式図である。
【図１０】第３の実施形態におけるピーニング用ヘッドと、その周辺構成を示す模式図である。
【図１１】第４の実施形態の付加製造機の斜視図であり、製造中の構造物の形状を測定する形状測定装置として、層形成用ヘッドと一体に移動する形状測定用プローブが設けられた態様を示す図である。
【図１２】図１２は、本実施形態の変形例の付加製造機の斜視図であり、製造中の構造物の形状を測定する形状測定装置が、付加製造機のうち層形成空間の少なくとも一部を俯瞰する位置に固定して配置された態様を示す図である。
【図１３】第５の実施形態の付加製造機のうち変形例のピーニング用ヘッドの縦断面図であり、レーザ光を収束させる収束レンズをその光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１４】
〔第１の実施形態〕
（付加製造技術により製造される構造物の例）
まず、本実施形態の付加製造技術により製造される三次元形状の構造物の一例について図１及び図２を参照して説明する。図１は、付加製造技術により製造される構造物の一例を示す斜視図であり、（ａ）は、完成した構造物の外観を示しており、（ｂ）は、完成した構造物の内部の構造と、強化することが求められる強化領域を示している。図２は、付加製造技術による製造中の構造物の一例を示す斜視図であり、製造中の構造物の頂面上に新たな層が形成されて、当該層が構造物に付加される態様を示す図である。
【００１５】
本実施形態の付加製造技術により製造される三次元形状の構造物５Ｃは、その内部に空洞を有する。構造物５Ｃは、図１（ａ）に破線Ｐで示すように、当該空洞を通る切断面により２つの半体（half body）に切断した場合、図１（ｂ）に示すように、構造物５Ｃの半体５ｈには、空洞の約半分を形成するリセス５ｒがある。構造物のうちリセス５ｒすなわち空洞を画定する壁５ｗには、周囲に比べて曲率が大きい領域５ｔがある。このような領域５ｔには、疲労強度（疲労限度）等を、特に高くすることが求められることがあり、構造物５が金属等で構成されている場合には、当該領域５ｔに圧縮残留応力を付与することにより、強度の向上を図ることが求められている。構造物５内にある所定の領域５ｔに圧縮残留応力を付与する方法には、外部から当該領域５ｔに衝撃力を加える手法、いわゆるピーニング（peening）がある。
【００１６】
しかし、構造物５の完成後において、その内部にある所定の領域５ｔに圧縮残留応力を生じさせることは、極めて困難である。そこで、本実施形態の付加製造技術においては、図２に示すような製造中の構造物５Ｂに対してピーニングを行っている。以下に、製造中の構造物５Ｂの所定の領域５ｔにピーニングを行うと共に、構造物５Ｂのうち最も上側にある固化した層７の表面（以下、頂面と記す）７ｃ上に、新たな層８を付加する付加製造機及び付加製造方法について説明する。
【００１７】
（付加製造機の構成）
本実施形態の付加製造機（ＡＭ machine）について、図３〜図６を参照して説明する。図３は、本実施形態の付加製造機の全体構成を示す斜視図である。図４は、本実施形態の付加製造機のうちピーニング用ヘッドの一例を示す縦断面図であり、光ファイバにより伝送されたレーザ光を、製造中の構造物に向けて収束し、新たに付加された層のうち固化した層の表面に照射するレーザヘッドの縦断面図である。
【００１８】
図５は、レーザヘッドの施工距離及び焦点範囲を説明する模式図である。図６は、本実施形態の付加製造機のうちピーニング用ヘッドの変形例を示す縦断面図であり、空間を通して伝送されたレーザビームを、製造中の構造物に向けて収束し、新たに付加された層のうち固化した層の表面に照射するレーザヘッドの縦断面図である。図６は、本実施形態の付加製造機のうち層形成用ヘッド及びピーニング用ヘッドのそれぞれの走査機構を示す斜視図である。
【００１９】
なお、図３において、矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは、付加製造機１０の座標系を示している。本実施形態において、矢印Ｘは、水平方向のうち付加製造機１０の前面１０ａに平行な所定の方向を示す。矢印Ｚは、鉛直方向のうち上側を示し、以下、単に「上側」と記す。また、矢印Ｙは、水平方向のうち矢印Ｚ及び矢印Ｘに垂直な向きを示している。以下の説明において、矢印Ｘで示す方向を「Ｘ軸方向」と記し、矢印Ｙで示す方向を「Ｙ軸方向」と記し、矢印Ｚで示す方向を「Ｚ軸方向」と記す。Ｚ軸方向は、製造中の構造物に層が付加される方向（以下、積層方向と記す）であり、鉛直方向と略一致している。
【００２０】
図３に示すように、付加製造機１０は、基盤１１を有し、当該基盤１１上に複数の層が積層されて、三次元形状の構造物が形成される。なお、以下の説明において、付加製造機１０が製造する構造物、すなわち複数の層が積層され且つ互いに接合された三次元形状の構造物を、単に「構造物」と記す。また、構造物のうち、特に、製造過程にあるもの、すなわち完成していないものを「製造中の構造物」と記す。例えば、製造中の構造物５Ｂ（図２参照）には、新たな層８が、一層ずつ付加されて、最終的に構造物５Ｃ（図１参照）が完成する。
【００２１】
付加製造機１０においては、基盤１１の表面１１ａ上に、当該複数の層のうち最初の層が形成される。当該基盤１１は、ビルド・プラットフォーム（build platform）とも呼称される。なお、当該基盤１１の表面１１ａ上に、構造物を支持するための部材（図示せず）を配置し、当該部材上に最初の層を形成するものとしても良い。付加製造機１０のうち基盤１１より鉛直上側には、層を形成可能な空間１２、すなわち複数の層からなる構造物５を製作可能な空間１２が配置されている。当該空間１２の外縁を、図３に破線で示す。当該空間１２は、ビルド・スペース（build space）とも呼称される。
【００２２】
本実施形態において、空間１２は、密閉された容器内の空間１２であり、外気（ambient air）から遮断された空間１２である。当該空間１２には、構造物を構成する金属材料の酸化や、当該材料への不純物の混入を抑制するためのガスで満たされている。当該ガスには、「酸素濃度が一定値以下のガス」が用いられる。空間１２に供給される当該ガスは、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスや、炭酸（ＣＯ２）ガスであることが好ましい。また、窒素ガスを用いることも可能である。このようなガスで満たされて構造物が製作される空間１２は、ビルド・チャンバー（build chamber）とも呼称される。
【００２３】
付加製造機１０は、空間１２を満たすガスの供給を受ける開口（以下、供給口と記す）１６と、当該空間１２において汚染されたガスを排出する開口（以下、排出口と記す）１７とを有する。図３に矢印Ｎで示すように、供給口１６を通して空間１２に供給された酸素濃度が一定値以下の清浄なガス（例えば、不活性ガス）は、空間１２において構造物の材料が熱により酸化しにくいガス雰囲気を形成し、当該雰囲気において構造物５は製造される。製造過程において空間１２内を満たしているガスは、材料等により汚染される。汚染されたガスは、排出口１７を通して、図３に矢印Ｅで示すように、付加製造機１０外に排出され、回収される。なお、汚染されたガスからフィルタやセパレータ等により汚染物質を分離して、清浄なガスを生成し、再び、供給口１６を通して空間１２に供給することも好適である。
【００２４】
付加製造機１０は、基盤１１の表面１１ａ又は固化した層７上に一つの層を形成して構造物５に一層ずつ新たな層８を付加するためのヘッド（以下、層形成用ヘッドと記す）２０を有する。層形成用ヘッド２０は、基盤１１より上側にある層形成空間１２内に複数の層を形成可能である。層を構成する材料には、例えば、金属や合成樹脂が用いられる。本実施形態において、複数の層は、同一の材料で構成されている。なお、複数の層のうち、所定の層については、その材料を異ならせることも可能である。
【００２５】
層形成用ヘッド２０は、基盤１１又は他の層の上側に材料を供給すると共に当該材料を溶融させる。溶融した材料が固化することにより、新たな層が形成される。当該新たな層は、材料が固化する際に、その下側にある他の層と接合される。粉末状の材料の供給と、当該材料の加熱、具体的には、熱源として、連続的なレーザ光（いわゆるレーザビーム）の照射を、同時に行って新たな層を形成することが好適である。
【００２６】
なお、材料を溶融させるための熱源には、レーザ光に代えて、電子ビームを用いることも可能である。材料を溶融させるための熱源には、必要な熱量収束径及び輝度を得られるものであれば、様々な種類の光源を用いることが可能である。また、本実施形態の層形成用ヘッド２０は、例えば、不活性ガスを吹き付けながら、他の層の上側に溶融した材料を供給することも好適である。
【００２７】
このようにして、層形成用ヘッド２０は、製造中の構造物５のうち、基盤１１の上側にある固化した層のうち最も上側にある層の上側の表面である「頂面」７上に、材料を供給すると共に溶融させて新たな一つの層８を形成し、当該層を構造物５に付加する。なお、基盤１１の表面１１ａ又は固化した層の頂面７ｃ上に新たな一つの層８を形成して当該層を構造物５に付加するステップを、以下に「層形成ステップ」と記す。
【００２８】
本実施形態の層形成ステップにおいては、層形成用ヘッド２０は、他の層の頂面７ｃ上に材料を供給すると同時に、収束した熱源により当該材料を溶融させて層を形成し、構造物に付加する「ダイレクト・エナジー・デポジション」（Direct energy deposition、いわゆる指向性エネルギー堆積）を行う場合について説明する。このような技術には、例えば、金属粉末の噴射と同時にレーザ光の照射を行う「レーザー・メタル・デポジション」がある。
【００２９】
図３に示すように、層形成用ヘッド２０は、固化した層７の頂面７ｃの上側に位置しており、当該頂面７ｃに沿って移動しながら、新たな層８を構成する材料を供給すると共に当該材料を溶融させる。新たに付加される層８のうち、層形成用ヘッド２０により材料の供給及び加熱がなされている部分を、以下に「積層加工点」と記し、符号８ａを付して各図にハッチングで示す。層形成用ヘッド２０の移動に伴って積層加工点８ａも移動する。積層加工点８ａを所定の三次元データに従って移動させることにより、層形成用ヘッド２０は、所定の形状の層を付加することができる。層形成用ヘッド２０すなわち積層加工点８ａの移動と、材料の供給及び加熱は、図示しないコントローラにより制御される。
【００３０】
付加製造機１０は、層形成用ヘッド２０により積層加工点８ａを、他の層の頂面７ｃに沿って移動させる、いわゆる「走査」を行うことにより、当該頂面７ｃ上に新たな層８を付加的に形成することができる。このような層を一層ずつ付加する、すなわち層の形成を繰り返し行うことにより、付加製造機１０は、複数の層からなる三次元形状の構造物５を製造する。
【００３１】
図６に示すように、付加製造機１０は、層形成用ヘッド２０を、基盤１１の上側において、三次元的に変位させることが可能な機構（以下、第１ヘッド駆動機構と記す）２２を有している、本実施形態において、第１ヘッド駆動機構２２は、層形成用ヘッド２０をそれぞれ所定の方向に直線的に移動させる機構（以下、リニアステージと記す）２２ｘ，２２ｙ，２２ｚを有する。具体的には、Ｘ軸方向に移動させるＸ軸リニアステージ２２ｘと、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸リニアステージ２２ｙと、Ｚ軸方向に移動させるＺ軸リニアステージ２２ｚとを有する。３つのリニアステージ２２ｘ，２２ｙ，２２ｚを有する第１ヘッド駆動機構２２は、いわゆる直角座標ロボット（rectangular robot）を構成している。
【００３２】
本実施形態において、Ｚ軸リニアステージ２２ｚは、層形成用ヘッド２０を、層が付加される方向である積層方向に略一致するＺ軸方向に直線的に移動させる。Ｙ軸リニアステージ２２ｙは、Ｚ軸リニアステージ２２ｚ及び層形成用ヘッド２０をＹ軸方向に直線的に移動させる。Ｘ軸リニアステージ２２ｘは、Ｙ軸リニアステージ２２ｙ、Ｚ軸リニアステージ２２ｚ及び層形成用ヘッド２０を、Ｘ軸方向に直線的に移動させる。
【００３３】
これら３つのリニアステージ２２ｘ，２２ｙ，２２ｚをそれぞれ制御することにより、層形成用ヘッド２０を所望の位置（座標）に移動させることができる。これにより、層形成空間１２内の所望の位置に積層加工点８ａを設定することができる。なお、リニアステージ２２ｘ，２２ｙ，２２ｚによる層形成用ヘッドの移動は、図示しないコントローラにより制御される。
【００３４】
また、図３に示すように、付加製造機１０は、製造中の構造物５の所定の領域に圧縮残留応力を付与するために、当該構造物５の表面に衝撃力を加えるためのヘッド（以下、ピーニング用ヘッドと記す）３０を有する。付加製造機１０において、ピーニング用ヘッドは、基盤１１の上側を層形成用ヘッド２０とは独立して三次元的に移動可能に構成されており、また、矢印Ｚで示す方向すなわち鉛直方向に対して傾斜可能に構成されている。ピーニング用ヘッド３０は、製造中の構造物５の表面にパルス状のレーザ光を照射し、当該レーザ光により構造物５の表面の一部を昇華（蒸発）させて、当該表面に衝撃力を加える、いわゆるレーザーアブレーション（laser ablation）を行う。
【００３５】
図３において、ピーニング用ヘッド３０は、製造中の構造物５のうち、最も上側にある層８すなわち層形成用ヘッド２０により新たに付加された層８の頂面８ｃにパルス状のレーザ光を照射して、所定の領域（以下、アブレーション加工点と記す）８ｄに衝撃力を加えている。最も上側にある層８の頂面８ｃにあるアブレーション加工点８ｄは、上述した積層加工点８ａから所定の距離、離れた位置にあり、当該アブレーション加工点８ｄにある金属材料は、積層加工点８ａと異なって固化している。当該アブレーション加工点８ｄにある固化した材料の一部は、昇華して、当該アブレーション加工点８ｄと、その近傍には、プラズマが生じる。当該プラズマの圧力により、当該アブレーション加工点８ｄには、衝撃力が加えられる。構造物５のうち当該アブレーション加工点８ｄとその近傍には、圧縮残留応力が付与される。このように本実施形態のピーニング用ヘッド３０は、構造物５の表面の所定の領域にパルス状のレーザ光を照射するものであり、「レーザ加工ヘッド」又は「レーザーアブレーション・ヘッド」とも呼称される。
【００３６】
なお、製造中の構造物５のうちピーニング用ヘッド３０が衝撃力を加えるアブレーション加工点８ｄは、図３においては、層形成用ヘッド２０により新たに付加された層８の頂面８ｃにあるものとしたが、製造中の構造物５のうちピーニング用ヘッド３０が衝撃力を加える領域は、当該頂面８ｃだけではない。ピーニング用ヘッド３０は、新たに付加された層８の側面８ｅや、その下側にある完全に固化した層７の頂面７ｃ及び側面７ｅにある所定の領域にアブレーション加工点８ｄを設定して衝撃力を加えることも求められており、これら側面７ｅ，８ｅに衝撃力を加えるための構成については、後述する。
【００３７】
ピーニング用ヘッド３０は、図３及び図４に示すように、光ファイバ４４により伝送されたレーザ光を収束させて構造物５の表面に照射する。ピーニング用ヘッド３０は、光ファイバ４４からのレーザ光を収束させる収束レンズ（convergent lens）３３と、収束レンズ３３を収容し且つ光ファイバ４４の一方の端が結合されるハウジング３１とを有する。なお、収束レンズ３３は、「集束レンズ」又は「集光レンズ」とも呼称される。なお、収束レンズ３３には、一般的な凸レンズを用いることができる。光ファイバ４４の他方の端部は、付加製造機１０外に配置されたレーザ光源（図示せず）に接続されている。光ファイバ４４は、レーザ光源からのパルス状のレーザ光を、ピーニング用ヘッド３０に伝送する。
【００３８】
また、本実施形態のピーニング用ヘッド３０は、収束させたレーザ光を構造物５の表面に照射すると共に、当該表面のうちレーザ光が照射される領域に向けて「酸素濃度が一定値以下のガス」を吹き付ける。ピーニング用ヘッド３０は、収束レンズ３３から射出されたレーザ光を通すと共に、当該レーザ光が照射される領域に向かう当該ガスの流れ、いわゆる噴流を形成するノズル３７を有する。なお、本実施形態において、ノズル３７からの噴流を形成する「酸素濃度が一定値以下のガス」には、層形成空間１２を満たすガス同様に、アルゴン（Ａｒ）ガス、炭酸（ＣＯ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス等を用いることができる。
【００３９】
ノズル３７は、レーザ光の光軸（一点鎖線Ａで示す）と同軸をなす略円筒状をなしている。本実施形態において、ノズル３７とハウジング３１は、レーザ光を透過可能な光学窓３５（いわゆるウィンドウ）を介して結合されている。ノズル３７のうち酸素濃度が一定値以下のガスが流動する空間と、ハウジング３１のうち収束レンズ３３を収容する空間は、光学窓３５により仕切られている。ノズル３７には、当該ガスの供給を受けるニップル３７ｃが設けられており、当該ニップル３７ｃには、外部からピーニング用ヘッド３０に当該ガスを供給する可撓性の管４２が接続されている。当該管４２は、ガスボンベや液化ガス蒸発器等のガス供給源（図示せず）から圧送されたガスをピーニング用ヘッド３０のノズル３７に導く。
【００４０】
このように構成されたピーニング用ヘッド３０は、パルス状のレーザ光が照射される領域すなわちアブレーション加工点８ｄに向かうガスの噴流を形成する。これにより、ピーニング用ヘッド３０は、酸素濃度が一定値以下のガス雰囲気においてレーザーアブレーションを行うことができる。アブレーション加工点８ｄに向けて収束するレーザ光のビーム内に、塵埃等の異物が侵入することを抑制すると共に、アブレーション加工点８ｄにおいて生じた加工屑を、その近傍から除去することができる。
【００４１】
上述したレーザ光源には、レーザ出力をパルス列の形で放出するパルス発振レーザが用いられる。各パルスの持続時間（いわゆるパルス幅）は、１０ナノ秒以下に調整されることが好ましい。レーザ光源は、レーザ発振器に加えて、レーザ発振器により発振されたレーザ光から上述した持続時間のパルスを生成するＱスイッチを含んでいる。本実施形態において、レーザ発振器には、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジム・ヤグ）レーザ等の固体レーザが用いられる。
【００４２】
なお、ピーニング用ヘッド３０は、図５に示すように、アブレーション加工点８ｄとの間の距離（以下、施工距離と記し、図５に寸法ｃで示す）が、収束レンズ３３の焦点範囲（図５に寸法ｆで示す）内となるように配置される。なお、焦点範囲ｆは、図５に示すように、収束レンズ３３の光軸（一点鎖線Ａで示す）の方向（以下、光軸方向と記す）において最小焦点径距離ｍ１と最大焦点径距離ｍ２との間にある範囲である。
【００４３】
光軸方向において、最大焦点径距離ｍ１よりヘッド３０側に近接した位置にアブレーション加工点があると、当該加工点における焦点径が大きくなりすぎて十分なエネルギー密度を得ることができない。一方、ヘッド３０から最大焦点径距離ｍ２より離間した位置にアブレーション加工点があると、当該加工点における焦点径が小さくなりすぎる。この場合、収束レンズ３３から射出されたレーザ光は、アブレーション加工点に到達する前に、不活性ガス等の気体等により散乱又は吸収されて、そのエネルギーを喪失してしまう。したがって、上述したピーニング用ヘッド３０により構造物５のうち所望の表面にレーザ光を照射してアブレーション加工点に衝撃力を加えるためには、当該加工点から施工距離ｃ離れた位置にピーニング用ヘッド３０を移動させる必要がある。
【００４４】
なお、製造中の構造物５のうちピーニング用ヘッド３０が衝撃力を加えるアブレーション加工点８ｄは、図３においては、層形成用ヘッド２０により新たに付加された層８の頂面８ｃにあるものとしたが、製造中の構造物５のうちピーニング用ヘッド３０が衝撃力を加える領域は、当該頂面８ｃだけではない。ピーニング用ヘッド３０は、新たに付加された層８の側面８ｅや、その下側にある完全に固化した層７の頂面７ｃ及び側面７ｅにある所定の領域に衝撃力を加えることも求められている。構造物５のうち側面７ｅ，８ｅ（図３参照）にアブレーション加工点を設定する場合には、当該加工点から施工距離ｃ離れた位置（座標）に移動させるだけでなく、収束レンズ３３の光軸上にアブレーション加工点が位置するよう、鉛直方向に対して所定の角度、傾斜するよう当該ピーニング用ヘッド３０を移動させる必要がある。
【００４５】
そこで、本実施形態の付加製造機１０は、図６に示すように、層形成用ヘッド２０を移動させるための第１ヘッド駆動機構２２とは別に、基盤１１の上側において、ピーニング用ヘッド３０を、三次元的に変位させると共に、積層方向すなわちＺ軸方向に対して傾斜するよう移動させることが可能な機構（以下、第２ヘッド駆動機構と記す）５０を有する。本実施形態において、第２ヘッド駆動機構５０は、複数の回転ジョイント（いわゆる関節）を有するアーム（以下、多関節アームと記す）５０として構成されている。
【００４６】
多関節アーム５０は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれの方向において所望の位置（座標）にピーニング用ヘッド３０に移動させると共に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれを中心に当該ピーニング用ヘッド３０を回動可能に構成されている。具体的には、多関節アーム５０は、複数のリンク５１，５２，５３，５４と、これらのうち２つのリンク同士を相対的に回動可能に接続する複数の回転ジョイント５６，５７，５８を有する。多関節アーム５０のうち最も先端にあるリンク５４には、上述したピーニング用ヘッド３０が結合されている。
【００４７】
本実施形態の多関節アーム５０において、リンク５１のうち端部５１ｃは、基部５１ａに対して軸心Ａ１周りに回動可能であり、且つ回転ジョイント５６を介してリンク５２の基部５２ａに接続されている。リンク５１の基部５１ａは、付加製造機１０に固定されており、基盤１１に対して静止している。リンク５２の基部５２ａは、リンク５１の端部５１ｃに対して回転ジョイント５６の軸心Ａ２周りに回動可能である。リンク５２のうち端部５２ｃは、基部５２ａに対して軸心Ａ３周りに回動可能に構成されており、且つ回転ジョイント５７を介してリンク５３の基部５３ａに接続されている。リンク５３の基部５３ａは、リンク５２の端部５２ｃに対して回転ジョイント５７の軸心Ａ４周りに回動可能である。リンク５３のうち端部５３ｃは、基部５３ａに対して軸心Ａ５周りに回動可能であり、且つ回転ジョイント５８を介してリンク５４に接続されている。リンク５４は、リンク５３の端部５３ｃに対して回転ジョイント５８の軸心Ａ６周りに回動可能である。
【００４８】
このように構成された多関節アーム５０は、６つの軸心Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６のそれぞれの周りに相対的に回動可能な、いわゆる６自由度の多関節アームである。このような６自由度の多関節アーム５０は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の所望の位置（座標）にピーニング用ヘッド３０に移動させると共に、当該ピーニング用ヘッド３０のＸ軸周りの傾斜角度（いわゆるロール角度）、Ｙ軸周りの傾斜角度（いわゆるピッチ角度）、Ｚ軸周りの傾斜角度（いわゆるヨー角度）をそれぞれ変化させることが可能である。これにより、ピーニング用ヘッド３０は、図３に示す製造中の構造物５のうち頂面７ｃ，８ｃだけでなく、側面７ｅ，８ｅにもアブレーション加工点を設定することができ、これら側面７ｅ，８ｅにレーザ光を照射する、すなわち側面７ｅ，８ｅを通して構造物５に衝撃力を加えることができる。
【００４９】
以上に説明したように本実施形態の付加製造機１０は、図３に示すように、基盤１１の表面１１ａ又は固化した層７の頂面７ｃ上に新たな層８を形成して当該層８を構造物５に付加する層形成用ヘッド２０と、基盤１１より上側に形成された製造中の構造物５の固化した表面７ｃ，７ｅ，８ｃ，８ｅのうち所望の領域８ｄに断続的に衝撃力を加えるピーニング用ヘッド３０を有する。ピーニング用ヘッド３０は、図６に示すように、層が付加される方向である積層方向（本実施形態においては、矢印Ｚで示す鉛直方向）に対して傾斜するよう駆動されて、図３に示す当該表面７ｃ，７ｅ，８ｃ，８ｅのうち、矢印Ｚで示す積層方向に垂直な頂面７ｃ，８ｃに加えて、当該積層方向に沿って広がる側面７ｅ，８ｅに衝撃力を加えることが可能である。
【００５０】
本実施形態の付加製造機１０によれば、製造中の構造物５の表面のうち全てに対してピーニング用ヘッド３０により良好に衝撃力を加えることができ、当該表面のうち所望の領域に衝撃力を加えて当該領域とその近傍に圧縮残留応力を付与することができる。
【００５１】
また、本実施形態の付加製造機１０は、図６に示すように、層形成用ヘッド２０を駆動して、当該層形成用ヘッド２０を三次元的に変位させることが可能な第１ヘッド駆動機構２２を有する。具体的には、第１ヘッド駆動機構２２は、矢印Ｚで示す積層方向と一致するＺ軸方向と、水平方向のうち当該Ｚ軸方向に垂直なＹ軸方向と、当該Ｚ軸方向及び当該Ｙ軸方向に垂直なＸ軸方向のそれぞれの方向において、所望の位置に前記層形成用ヘッドを移動させる。これにより、基盤１１の上側において所望の形状の層を形成して当該層を構造物に付加することができる。
【００５２】
さらに、付加製造機１０は、ピーニング用ヘッド３０を駆動して、当該ピーニング用ヘッド３０を三次元的に変位させると共に、当該ピーニング用ヘッド３０を矢印Ｚで示す積層方向に対して所定の角度（本実施形態においては、９０度以上）傾斜するよう移動させることが可能な第２ヘッド駆動機構５０を有する。第２ヘッド駆動機構は、ピーニング用ヘッド３０を、層形成用ヘッド２０に比べて高い自由度で移動させるものであり、矢印Ｚで示すＺ軸方向、矢印Ｙで示すＹ軸方向、及び矢印Ｘで示すＸ軸方向のそれぞれの方向において所望の位置にピーニング用ヘッド３０を移動させると共に、Ｚ軸方向に延びるＺ軸、Ｙ軸方向に延びるＹ軸、及びＸ軸方向に延びるＸ軸のそれぞれの軸周りに回動することにより、矢印Ｚで示すＺ軸方向すなわち積層方向に対して所定の角度（例えば、９０度）傾斜するようピーニング用ヘッド３０を移動させる。本実施形態において、第２ヘッド駆動機構５０は、図６に示すように、複数の回転ジョイント（いわゆる関節）を含む、６自由度の多関節アームである。
【００５３】
このような第２駆動機構（多関節アーム）５０によりピーニング用ヘッド３０を三次元的に変位させると共に、積層方向に対して傾斜させることにより、図３に示すように、ピーニング用ヘッド３０は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な頂面７ｃ，８ｃだけでなく、当該積層方向（Ｚ軸方向）に沿う方向に広がる側面７ｅ，８ｅにも衝撃力を加えることができ、これら製造中の構造物５の表面と、その近傍であれば、所望の領域に圧縮応力を付与することができる。
【００５４】
図６に示すように、付加製造機１０は、層形成用ヘッド２０を駆動する第１ヘッド駆動機構２２とは別に、ピーニング用ヘッド３０を駆動する第２ヘッド駆動機構５０を備えるため、図３に示すように、層形成用ヘッド２０により固化した層７の頂面７ｃ上に新たな層８を形成して当該層８を構造物に付加する層形成ステップを行いながら、ピーニング用ヘッド３０により基盤１１より上側に形成された製造中の構造物５の固化した表面７ｃ，７ｅ，８ｃ，８ｅの所定の領域に断続的に衝撃力を加える工程（以下、ピーニングステップと記す）を行うことができる。
【００５５】
本実施形態の付加製造方法においては、ピーニング用ヘッド３０を用いて複数のピーニングステップが行われる。複数のピーニングステップのうち少なくとも一つは、製造中の構造物５の表面７ｃ，７ｅ，８ｃ，８ｅのうち矢印Ｚで示す積層方向に垂直な頂面７ｃ，８ｃに断続的な衝撃力を加えるステップ（以下、頂面ピーニングステップと記す）を含む。また、複数のピーニングステップのうち少なくとも一つは、第２ヘッド駆動機構５０により矢印Ｚで示す積層方向に対してピーニング用ヘッド３０が傾斜するよう当該ピーニング用ヘッド３０を移動させて、製造中の構造物５の表面のうち積層方向に沿って広がる側面７ｅ，８ｅに断続的な衝撃力を加えるステップ（以下、側面ピーニングステップと記す）を含む。本実施形態の付加製造方法において、頂面ピーニングステップ及び側面ピーニングステップのうち少なくとも一方を含むピーニングステップは、上述した層形成ステップと同時に行われる。これにより、付加製造技術により製造される構造物内の所望の領域に圧縮残留応力を付与することができる。
【００５６】
なお、本実施形態において、ピーニング用ヘッド３０が、製造中の構造物５の表面にパルス状のレーザ光を照射する、いわゆるレーザーアブレーションを行うことにより、当該表面の一部を昇華（蒸発）させ、当該表面の近傍にプラズマを発生させて、当該プラズマが発生する際に生じる衝撃力を当該表面に加えるものとしたが、本発明に係るピーニング用ヘッド及びピーニングステップは、この態様に限定されるものではない。ピーニング用ヘッド及びピーニングステップは、製造中の構造物５の表面に衝撃力を断続的に加えることが可能なものであれば良い。
【００５７】
なお、本実施形態の付加製造機１０においては、レーザ光源からのパルス状のレーザ光を、光ファイバ４４を用いてピーニング用ヘッド３０に伝送する、いわゆるファイバー伝送（fibre delivery)を行うものとしたが、レーザ光源からのレーザ光をピーニング用ヘッドに伝送する方法及び経路は、この態様に限定されるものではない。例えば、レーザ光源から出力されたレーザ光をミラーを用いて反射して空間を通して伝送する、いわゆるミラー伝送(mirror delivery)を行うものとしても良い。なお、ミラー伝送は、空間伝送とも呼称される。ミラー伝送を行う場合など、光ファイバ４４を用いない場合のピーニング用ヘッドの構成については、後述する。
【００５８】
また、本実施形態において、ピーニング用ヘッド３０は、図４に示すように、レーザ光源から光ファイバ４４を通して伝送されたレーザ光を、製造中の構造物の表面に向けて収束させる収束レンズ３３と、当該収束レンズ３３から当該構造物の表面に向けてレーザ光を通すと共に、ガス供給源から酸素濃度が一定値以下のガスの供給を受けて、当該表面のうちレーザ光が照射される領域（アブレーション加工点）８ｄに向かう当該ガスの流れを形成するノズル３７を有するものとした。なお、「酸素濃度が一定値以下のガス」には、アルゴン（Ａｒ）ガスや、炭酸（ＣＯ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス等の、いわゆる不活性ガスが用いられる。このようなガスの流れを形成することにより、レーザ光（レーザビーム）内に塵埃等の異物が侵入することを抑制して、ノズル３７とアブレーション加工点８ｄとの間におけるエネルギー損失を抑制すると共に、当該アブレーション加工点８ｄにおいて生じた加工屑を当該加工点８ｄの近傍から除去することができる。
【００５９】
〔第２の実施形態〕
本実施形態の付加製造機について、図４、図７、図８及び図９を参照して説明する。図７は、本実施形態の付加製造機の全体構成を示す斜視図であり、基盤がドレンパン上に配置されており、ドレンパンの底に溜まった廃液を排出口から排出する態様を示す斜視図である。図８は、本実施形態の付加製造機におけるピーニング用ヘッドと、その周辺構成を説明する模式図である。図９は、本実施形態の付加製造機における変形例のピーニング用ヘッドと、その周辺構成を説明する模式図である。本実施形態の付加製造機は、ピーニング用ヘッドにより、いわゆる液中レーザピーニングを行う点で、第１の実施形態と異なっている。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
図４に示すように、本実施形態のピーニング用ヘッド３０Ｃは、第１の実施形態と同様に、レーザ光源から伝送されたレーザ光を、製造中の構造物５の表面に向けて収束させる収束レンズ３３を有する。一方、ピーニング用ヘッド３０Ｃのノズル３７は、第１の実施形態と異なり、収束レンズ３３から製造中の構造物５に向かうレーザ光を通すと共に、当該構造物５の表面のうちレーザ光が照射される領域に向かう液体の流れを形成する。当該液体は、透明のものが好ましく、例えば、水を用いることができる。
【００６１】
本実施形態のピーニング用ヘッド３０Ｃにおいて、ノズル３７のうちニップル３７ｃには、当該ノズル３７に液体を供給する可撓性の管４５が接続されている。当該管４５は、図８に示すように、液体供給源４３からの液体をピーニング用ヘッド３０Ｃのノズル３７に導く。ノズル３７は、液体供給源４３からの液体の供給を受けて、図４に示すように、レーザ光が照射される領域すなわちアブレーション加工点８ｄに向かう液体の流れを形成する。
【００６２】
なお、液体供給源４３は、液体を貯蔵する容器、液体をノズル３７に向けて圧送する電動ポンプ、液体に含まれる塵埃等の異物を分離、除去して当該液体を浄化するフィルタ等を含むことが好適である。
【００６３】
このように液体の供給を受けたピーニング用ヘッド３０Ｃは、パルス状のレーザ光が照射される領域であるアブレーション加工点８ｄに向かう液体の噴流を形成する。これにより、ピーニング用ヘッド３０Ｃは、アブレーション加工点８ｄを液体で覆った状態でレーザーアブレーションを行う、いわゆる「液中レーザピーニング」を行うことができる。アブレーション加工点８ｄを液体で覆うことにより、当該加工点８ｄに生じたプラズマの圧力を、その周囲にあるガス雰囲気に分散させることなく衝撃力に変換し、当該衝撃力を表面８ｃ上にある加工点８ｄとその近傍に加えることができる。本実施形態によれば、ガス中においてレーザピーニングを行う場合に比べて、製造中の構造物５の表面８ｃから比較的深い領域まで圧縮残留応力を付与することができる。
【００６４】
図７に示すように、本実施形態の付加製造機１０Ｃは、基盤１１を少なくとも部分的に囲うように配置されており、当該基盤１１の表面１１ａ上から流れ落ちた液体を、その底部１５において受ける部材（以下、ドレンパンと記す）１４を有する。ドレンパン１４は、基盤１１の表面１１ａより鉛直下側において皿状をなしており、その底部１５は、基盤１１を全周に亘って囲っている。ドレンパン１４は、基盤１１の表面１１ａ上から流れ落ちた液体を底部１５で受けて、当該底部１５には、液体が一時的に貯留される。
【００６５】
付加製造機１０Ｃは、ドレンパン１４の底部１５に貯留された液体を、外部に排出する開口（以下、液体排出口と記す）１８を有する。液体排出口１８は、ドレンパン１４の底部１５の水平方向（本実施形態においては、Ｘ軸方向）の外側に配置されており、本実施形態においては、層形成空間１２において汚染されたガスを排出する排出口１７より鉛直方向（Ｚ軸方向）の下側に配置されている。ドレンパン１４の底部１５に貯留されている液体は、いわゆる廃液として、図７に矢印Ｅ２で示すように、液体排出口１８を通して外部に排出される。なお、底部１５に貯留されている液体のうち気化したものは、上述した「酸素濃度が一定値以下のガス」と共に排出口１７を通して外部に排出される。
【００６６】
また、本実施形態のピーニング用ヘッド３０Ｃは、図８に示すように、上述したノズル３７とは別に、乾燥ガス供給源４６から乾燥ガスの供給を受けて、製造中の構造物５の表面８ｃのうちレーザ光が照射される領域（アブレーション加工点８ｄ）又はその近傍に向かう乾燥ガスの流れを形成するノズル（以下、乾燥ガスノズルと記す）３６を有する。乾燥ガスノズル３６は、レーザ光が通るノズル３７の近傍に配置されている。乾燥ガスノズル３６は、可撓性の管４７を介して乾燥ガス供給源４６と接続されており、当該管４７を通して乾燥ガスの供給を受ける。
【００６７】
なお、乾燥ガスは、供給口１６を通して層形成空間１２に供給されるガスと同じ組成のガスであることが好ましい。乾燥ガス供給源４６には、ガスボンベや、液化ガス蒸発器等を用いることができる。乾燥ガス供給源４６は、当該乾燥ガスを加熱する装置を含み、高温の乾燥ガスを乾燥ガスノズル３６を通してアブレーション加工点８ｄの近傍に供給するものとしても良い。高温の乾燥ガスは、構造物５の表面８ｃ上を流れる液体の気化を促進する。
【００６８】
乾燥ガスノズル３６により形成された乾燥ガスの流れは、ノズル３７を通してアブレーション加工点８ｄの近傍に供給された液体のうち、製造中の構造物５の表面８ｃに沿って流れる液体は、加工屑等の塵埃を含んでいる場合がある。乾燥ガスの流れは、このような液体を、製造中の構造物５の表面８ｃ上から排除する。当該表面８ｃ上の液体は、その縁から鉛直下側にある基盤１１の表面１１ａ上に流れ落ち、さらに、図７に示すように、当該表面１１ａの縁からドレンパン１４の底部１５に流れ落ちる。当該底部１５に溜まった液体（廃液）は、液体排出口１８を通して付加製造機１０の外部に排出される。
【００６９】
本実施形態の付加製造機１０Ｃによれば、構造物５内への異物の混入を抑制しつつ、液中レーザーアブレーションを行って、１パルス当たりのレーザ光のエネルギーに対して比較的高い衝撃力を製造中の構造物の表面の所望の領域に加えて、当該領域とその近傍に圧縮残留応力を付与することができる。なお、上述した実施形態において、ピーニング用ヘッド３０Ｃは、製造中の構造物５の表面８ｃに向かうレーザ光を通すと共に当該表面８ｃに向かう液体の流れを形成するノズル３７と、当該表面８ｃに向かう乾燥ガスノズル３６とを備えるものとしたが、本発明に係るピーニング用ヘッドは、この態様に限定されるものではない。
【００７０】
例えば、図９に示す変形例のピーニング用ヘッド３０Ｄのように、ノズル３７を通してレーザ光が照射される領域（アブレーション加工点８ｄ）及びその近傍に供給された後、製造中の構造物５の表面８ｃに沿って流れる液体（廃液）を吸引する吸引ノズル３８を備えることも好適である。この変形例において、吸引ノズル３８は、中央にノズル３７を挟んで、乾燥ガスノズル３６と構造物５の表面８ｃに沿う方向に対向して配置されている。吸引ノズル３８から吸引された液体は、可撓性の管４８を通して、液体（廃液）を回収する回収タンク４９に送られる。この変形例によれば、製造中の構造物５の表面８ｃから基盤１１の表面１１ａを通してドレンパン１４の底部１５に流れ落ちる液体の量を低減することができ、層形成空間１２内における当該液体が気化した気体の濃度が上昇することを抑制することができる。
【００７１】
〔第３の実施形態〕
本実施形態の付加製造機について図１０を参照して説明する。図１０は、第３の実施形態の付加製造機におけるピーニング用ヘッドと、その周辺構成を示す模式図である。本実施形態の付加製造機は、基盤及びその上側にある構造物を加熱するヒータを有する点で、第２の実施形態と異なっている。なお、第２の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図１０に示すように、本実施形態の付加製造機は、基盤１１及び基盤１１より上側にある製造中の構造物を加熱するヒータ７０が設けられている。ヒータ７０は、基盤１１の表面１１ａより下側に配置されている。本実施形態において、基盤加熱用ヒータ７０は、略平板状をなしており、且つ基盤１１の裏面１１ｃに接している。すなわち、略平板状の基盤加熱用ヒータ７０は、加熱対象である基盤１１と重ね合されている。ヒータ７０は、基盤１１及び製造中の構造物５を加熱することにより、基盤１１の表面１１ａ及び構造物５の表面７ｃ，８ｃの温度を上昇させる。
【００７３】
本実施形態によれば、ヒータ７０が基盤１１及び構造物５を加熱することにより、ピーニング用ヘッド３０Ｅのノズル３７を通して供給され、製造中の構造物５の表面８ｃ，７ｃ及び基盤１１の表面１１ａに沿って流れる液体（例えば、水）の気化を促進することができる。液体（水）が気化した蒸気は、図７に矢印Ｅ１で示すように、排出口１７を通して外部に排出される。なお、図１０に示すピーニング用ヘッド３０Ｅは、第２の実施形態、及びその変形例と異なり、乾燥ガスノズル３６及び吸引ノズル３８（図８及び図９参照）を備えていないが、当該乾燥ガスノズル３６及び吸引ノズル３８のうち少なくとも一方を備えるものとしても良い。
【００７４】
〔第４の実施形態〕
本実施形態の付加製造機について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は、本実施形態の付加製造機の斜視図であり、製造中の構造物の形状を測定する形状測定装置として、層形成用ヘッドと一体に移動する形状測定用プローブが設けられた態様を示す図である。図１２は、本実施形態の変形例の付加製造機の斜視図であり、製造中の構造物の形状を測定する形状測定装置として、付加製造機のうち層形成空間の少なくとも一部を俯瞰する位置に固定して配置された態様を示す図である。本実施形態の付加製造機は、製造中の構造物の形状を測定する形状測定装置が設けられている点で、第１及び第２の実施形態と異なっている。なお、第１及び第２の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７５】
図１１に示すように、本実施形態の付加製造機１０Ｆは、製造中の構造物５（図１２参照）の形状を測定する形状測定装置６０を有する。本実施形態において、形状測定装置６０は、層形成用ヘッド２０に結合されており、上述した第１ヘッド駆動機構２２により駆動されて基盤１１より上側において層形成用ヘッド２０と一体に移動する。すなわち、形状測定装置６０は、三次元的に変位可能な形状測定用プローブとして構成されており、本実施形態においては、測定対象までの距離を測定する機能を含んでいる。
【００７６】
形状測定装置６０には、測定対象までを往復する光の時間差から距離を求める光波距離計（electro-optical distance meter）が用いることができ、例えば、測定対象すなわち構造物５の表面に向けてレーザ光を照射し、当該表面において反射された反射波が戻るまでの時間を測る、いわゆる「レーザ距離計」を用いることができる。また、形状測定装置６０には、左右の対物レンズ間の距離すなわち基線長に対する測定対象の視差を利用して距離を測定するレンジファインダー（range finder）を用いることもできる。
【００７７】
本実施形態においては、形状測定装置（形状測定用プローブ）６０を、層形成用ヘッド２０と共に、製造中の構造物５の表面に沿って移動させる、いわゆる「走査」を行うことにより、当該構造物５の三次元的な形状を測定することができる。本実施形態においては、層形成用ヘッド２０により新たな層８を構造物５に付加しながら、形状測定装置６０により構造物５に付加された層８の形状を測定することができる。
【００７８】
なお、形状測定装置６０により製造中の構造物５の表面形状の測定するステップは、上述したように、層形成用ヘッド２０による新たな層８の付加するステップ、すなわち層形成ステップと同時に行われるものしても良いし、当該層形成ステップが行われた後に、別途、層形成用ヘッド２０により新たな層８の付加を行うことなく、第１ヘッド駆動機構２２により形状測定装置６０を駆動して、製造中の構造物５の表面を走査して、表面形状の測定を行うものとしても良い。この態様によれば、形状測定装置６０を駆動する専用の駆動機構が不要となる。
【００７９】
形状測定装置６０により、製造中の構造物５の表面形状を測定することにより、当該表面形状を示す座標データ、より具体的には、基盤１１を基準とする絶対座標を示すデータを算出することができる。このような基盤１１上に形成されている製造中の構造物の形状を示す形状測定装置６０により測定された座標データに基づいて第１及び第２ヘッド駆動機構２２，５０を制御することにより、層形成用ヘッド２０及びピーニング用ヘッド３０のそれぞれを、製造中の構造物５の表面に沿って正確に移動させることができる。また、形状測定装置６０により測定された座標データを、記憶装置等に予め格納されている構造物の形状を示す三次元データと比較することにより、層形成用ヘッド２０及びピーニング用ヘッド３０のそれぞれの位置（座標）や移動経路等を補正することができる。例えば、ピーニング用ヘッド３０によりレーザーアブレーションを行うアブレーション加工点８ｄが設定される位置や経路を補正することができる。
【００８０】
なお、本実施形態において、形状測定装置６０は、第１ヘッド駆動機構２２により駆動されて、基盤１１より上側において層形成用ヘッド２０と一体に移動する形状測定用プローブであるものとしたが、本発明に係る形状測定装置は、この態様に限定されるものではない。形状測定装置（形状測定用プローブ）６０は、層形成用ヘッド２０とは別に、独立して移動するものとしても良い。例えば、第２ヘッド駆動機構５０等、他の駆動機構により駆動されるものとしても良い。また、本発明に係る形状測定装置は、基盤１１の上側の層形成空間１２を移動する「形状測定用プローブ」に限定されるものではない。
【００８１】
例えば、図１２に示す変形例の付加製造機１０Ｇのように、製造中の構造物５の形状を測定する形状測定装置６２は、層形成空間１２の少なくとも一部を俯瞰する位置に固定して配置されるものとしても良い。この場合、形状測定装置６２は、付加製造機１０Ｇのうち層形成空間１２を内部に有する筐体や容器（図示せず）に固定される。このような形状測定装置６２には、製造中の構造物５の形状を撮像可能なカメラや、当該構造物５の表面７ｃ，８ｃ，７ｅ，８ｅにレーザ光を照射して、その反射波を検出するレーザスキャナ等を用いることができる。
【００８２】
〔第５の実施形態〕
本実施形態の付加製造機について、図５、図６及び図１３を参照して説明する。図１３は、本実施形態の付加製造機のうち変形例のピーニング用ヘッドの縦断面図であり、レーザ光を収束させる収束レンズをその光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する態様を示す図である。本実施形態の付加製造機は、ミラー伝送（空間伝送）によりレーザ光源からのレーザ光をピーニング用ヘッドに伝送し、レーザ光を収束させる収束レンズが、その光軸方向に移動可能な点で、第１の実施形態と異なっている。なお、第１及び第２の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８３】
本実施形態の付加製造機は、光ファイバ４４（図３参照）を有しておらず、上述したレーザ光源からのレーザ光は、図１３に示すように、管４４Ｈ内にある空間を通してピーニング用ヘッド３０Ｈに伝送される。なお、ピーニング用ヘッド３１と、レーザ光源との間のレーザ光の伝送経路には、レーザ光を反射又は屈折可能な光学素子（図示せず）が配置されており、レーザ光源からのレーザ光は、当該光学素子と空間と通してピーニング用ヘッド３０Ｈに伝送される。
【００８４】
ピーニング用ヘッド３０Ｈのうちハウジング３１には、管４４Ｈが結合されており、当該ハウジング３１には、平行光線束のレーザ光（いわゆるレーザビーム）を通す開口３１ａが形成されている。ハウジング３１内には、レーザ光源からのレーザ光を、製造中の構造物５の表面のうちアブレーション加工点８ｄに向けて収束させる収束レンズ３３が配置されている。
【００８５】
ハウジング３１内のうち、収束レンズ３３と開口３１ａとの間には、レーザ光（レーザビーム）のビーム径を拡大する光学素子（以下、ビーム拡大部と記す）３２が配置されている。ビーム拡大部３２は、管４４Ｈからの平行光線束のレーザ光を発散光線束にする発散レンズ（divergent lens）３２ａと、当該発散レンズ３２ａからの発散光線束のレーザ光を平行光線束にする収束レンズ３２ｃとを含む。発散レンズ３２ａには、一般的な凹レンズを用いることができ、収束レンズ３２ｃには、一般的な凸レンズを用いることができる。ビーム拡大部３２は、発散レンズ３２ａに入射した平行光線束を、より径の大きい平行光線束にして収束レンズ３２ｃから射出する。すなわち、なお、「ビーム径」は、図１３に一点鎖線Ａで示す光軸に垂直な断面におけるレーザ光の外縁の径である。
【００８６】
本実施形態において、製造中の構造物の表面に向けてレーザ光を収束させる収束レンズ３３には、ビーム拡大部３２の収束レンズ３２ｃから射出された平行光線束のレーザ光、すなわちビーム径が拡大されたレーザ光が入射する。収束レンズ３３は、ビーム径が拡大されたレーザ光を、アブレーション加工点８ｄに向けて収束させる。
【００８７】
ピーニング用ヘッド３０Ｈは、当該収束レンズ３３を駆動して、その光軸方向（一点鎖線Ａで示す）の所望の位置に移動させる機構（以下、単に「レンズ駆動」と記す）３４を有する。レンズ駆動機構３４は、ビーム拡大部３２と共に、収束レンズ３３を収容するハウジング３１内に配置されている。
【００８８】
レンズ駆動機構３４は、収束レンズ３３の径方向外側に配置されており、当該収束レンズ３３を保持するレンズホルダ３４ａと、レンズホルダ３４ａ及び収束レンズ３３を光軸方向において所定の距離、直線状にスライドさせるためのリニアガイド３４ｃとを有する。リニアガイド３４ｃには、図示しない雌ねじが形成されており、レンズ駆動機構３４は、当該雌ねじに螺合するボールねじ３４ｅと、当該ボールねじ３４ｅを回転駆動する電気モータ３４ｆとを有する。電気モータ３４ｆのロータには、ボールねじ３４ｅが結合されており、当該ボールねじ３４ｅの回転角位置に応じて、収束レンズ３３、レンズホルダ３４ａ及びリニアガイド３４ｃが、光軸方向に変位する。なお、本実施形態において、レンズ駆動機構３４は、さらに、収束レンズ３３、レンズホルダ３４ａ又はリニアガイド３４ｃの光軸方向の位置を検出するための位置センサ３４ｇを有する。
【００８９】
このようなレンズ駆動機構３４においては、電気モータ３４ｆのロータすなわちボールねじ３４ｅの回転角位置を制御することにより、製造中の構造物の表面に向けてレーザ光を収束させる収束レンズ３３を、その光軸方向において、ハウジング３１及びノズル３７に対する相対的な位置を変化させる。なお、なお、位置センサ３４ｇにより検出された収束レンズ３３の位置を示す信号、又は電気モータのロータやボールねじ３４ｅの回転角位置を示す信号に基づいて、電気モータ３４ｆにより駆動される収束レンズ３３の位置を制御することも好ましい。
【００９０】
本実施形態によれば、収束レンズ３３の焦点の位置、すなわちピーニング用ヘッド３０Ｈとアブレーション加工点８ｄとの間の距離、いわゆる施工距離（図５に寸法ｃで示す）を変化させることができる。ピーニング用ヘッド３０Ｈを第２ヘッド駆動機構５０（図６参照）により移動させなくても、製造中の構造物５の表面上にあるアブレーション加工点８ｄに向けて収束レンズ３３から射出されたレーザ光を収束させることができ、レーザピーニングをより短時間で精度良く行うことができる。
【００９１】
[他の実施形態]
以上に説明した各実施形態において、ピーニング用ヘッド３０，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｈを三次元的に変位させると共に、矢印Ｚで示す積層方向に対して傾斜するよう駆動する第２ヘッド駆動機構（多関節アーム）５０は、６つの軸心Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６のそれぞれの周りに相対的な回動可能な、６自由度の多関節アームであるものとしたが、本発明に係る多関節アームは、この態様に限定されるものではない。例えば、多関節アームは、回転ジョイント５６，５７，５８に代えて、２つのリンクの接続点の周りに３自由度の相対回転運動が可能な「球ジョイント（spherical joint）」を用いることにより、より少ないリンク数で、６自由度の多関節アームを実現することもできる。
【００９２】
また、本発明に係る第２ヘッド駆動機構は、６自由度の多関節アームに限定されるものではない。第２ヘッド駆動機構は、当該ピーニング用ヘッドを三次元的に変位させると共に、前記積層方向に対して傾斜するよう当該ピーニング用ヘッドを移動させるものであれば良い。例えば、第２ヘッド駆動機構５０は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれ方向において所望の位置にピーニング用ヘッドに位置させると共に、Ｘ軸周り、Ｙ軸周り、Ｚ軸周りのうち少なくとも一軸周りの傾斜角度を変化させるものが可能なものを用いることも可能である。
【００９３】
上述した各実施形態において、層形成ステップは、層形成用ヘッド２０を用いて、いわゆる「ダイレクト・エナジー・デポジション」を行うことにより、頂面上に層を形成し、当該層を製造中の構造物に付加するものとしたが、本発明に係る層形成ステップは、この態様に限定されるものではない。例えば、粉末材料を、一層ずつ敷き詰めた後、レーザ光の照射により敷き詰められた材料のうち所定の部分を溶融させて当該部分を選択的に固化させる、いわゆる「パウダー・ベッド・フュージョン（Powder bed fusion 、「粉末床溶融結合」とも称される）」を行うものとして良い。
【００９４】
また、上述した各実施形態において、ピーニングステップは、ピーニング用ヘッド３０，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｈにより、製造中の構造物５の表面のうち、矢印Ｚで示す積層方向に垂直な頂面７ｃ，８ｃに、レーザ光を照射して衝撃力を加えるステップと、当該表面のうち積層方向に沿って広がる側面７ｅ，８ｅに衝撃力を加えるステップとを含むものとしたが、本発明に係るピーニングステップは、この態様に限定されるものではない。複数のピーニングステップのうち少なくとも一つが、積層方向に沿って広がる側面に衝撃力を加えるステップを含むものであれば良い。
【００９５】
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態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、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。
【符号の説明】
【００９６】
５，５Ｂ：構造物（製造中の構造物）、５Ｃ：構造物（完成した構造物）、５ｈ：半体（構造物の半体）、５ｒ：リセス（構造物）、５ｔ：領域（構造物のうち所定の強化領域）、５ｗ：壁（構造物）、７：層（構造物の固化した層）、７ｃ：頂面（構造物の表面）、７ｅ：側面（構造物の表面）、８：層（構造物に新たに付加した層）、８ａ：積層加工点（構造物に新たに付加した層のうち溶融している部分）、８ｃ：頂面（構造物の表面）、８ｄ：アブレーション加工点（構造物の表面のうちレーザ光が照射される領域）８ｅ：側面（構造物の表面）、１０，１０Ｃ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ：付加製造機、１１：基盤（付加製造機）、１１ａ：表面（基盤の表面）、１１ｃ：裏面（基盤の裏面）１２：層形成空間（ガスで満たされた空間）１４：ドレンパン、１５：底部（ドレンパンの底部）、１６：供給口（ガスを通す供給口）、１７：排出口（ガスを通す排出口）、１８：液体排出口、２０：層形成用ヘッド、２２：第１ヘッド駆動機構、２２ｘ：Ｘ軸リニアステージ（第１ヘッド駆動機構のリニアステージ）、２２ｙ：Ｙ軸リニアステージ（第１ヘッド駆動機構のリニアステージ）、２２ｚ：Ｚ軸リニアステージ（第１ヘッド駆動機構のリニアステージ）、３０，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｈ：ピーニング用ヘッド（ヘッド）、３１：ハウジング（ピーニング用ヘッドのハウジング）、３１ａ：開口（ハウジングの開口）、３２：ビーム拡大部（光学部品、光学素子）、３２ａ：発散レンズ（ビーム拡大部、凹レンズ）、３２ｃ：収束レンズ（ビーム拡大部、凸レンズ）、３３：収束レンズ、３４：レンズ駆動機構、３４ａ：レンズホルダ（レンズ駆動機構）、３４ｃ：リニアガイド（レンズ駆動機構）、３４ｅ：ボールねじ（レンズ駆動機構）、３４ｆ：電気モータ（レンズ駆動機構）、３４ｇ：位置センサ（レンズ駆動機構）、３５：光学窓、３６：乾燥ガスノズル、３７：ノズル（レーザ光を通すノズル）、３７ｃ：ニップル（ノズル）、３８：吸引ノズル、４２：管、４３：液体供給源、４４：光ファイバ、４４Ｈ：管（導光管）、４５：管、４６：乾燥ガス供給源、４７：管、４８：管、４９：回収タンク、５０：第２ヘッド駆動機構（多関節アーム）、５１：リンク（多関節アーム）、５１ａ：基部（リンクの基部）、５１ｃ：端部（リンクの端部）、５２：リンク（多関節アーム）、５２ａ：基部（リンクの基部）、５２ｃ：端部（リンクの端部）、５３：リンク（多関節アーム）、５３ａ：基部（リンクの基部）、５３ｃ：端部（リンクの端部）、５４：リンク（多関節アームの先端部）、５６，５７，５８：回転ジョイント（多関節アーム）、６０：形状測定装置（形状測定用プローブ）、６２：形状測定装置（撮像装置、レーザスキャナ）、７０：ヒータ（基盤加熱用ヒータ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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