(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工面に集光点を形成する光学系と、
加工材料としての粉体にパージガスを混合した混合流体を前記加工面に向けて吐出する少なくとも２つの混合流体吐出管と、
パージ機能を有するパージガスを前記加工面に向けて吐出する少なくとも２つのパージガス吐出管と、
を備えた光加工用ノズルであって、
前記少なくとも２つの混合流体吐出管のそれぞれは、前記少なくとも２つのパージガス吐出管の内部に配置され、全体として二重管構造であって、
前記混合流体の吐出と前記パージガスの吐出とを略同時に行うことができ、
前記少なくとも２つの混合流体吐出管の吐出口は、それぞれ前記光学系の光線経路に対して回転対称に配置され、
前記少なくとも２つのパージガス吐出管の吐出口から吐出される前記パージガスが、前記少なくとも２つの混合流体吐出管の吐出口から吐出される前記混合流体をシールドして保護するように、前記少なくとも２つのパージガス吐出管が配置された、光加工用ノズル。
【請求項２】
前記少なくとも２つのパージガス吐出管の吐出口は、前記光線経路に対して回転対称に配置されていると共に、前記少なくとも２つの混合流体吐出管の吐出口よりも、前記光線経路に関して外側に位置することにより、前記少なくとも２つのパージガス吐出管の吐出口は前記少なくとも２つの混合流体吐出管の吐出口をカバーして外部雰囲気からシールドするように配置された請求項１の光加工用ノズル。
【請求項３】
前記混合流体および前記パージガスの供給を外部から受ける請求項１または２に記載の光加工用ノズル。
【請求項４】
前記光線経路に対してパージガスを供給する他のパージガス吐出管をさらに有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光加工用ノズル。
【請求項５】
前記混合流体は、不活性のパージガスが前記粉体に混合されて製造され、前記混合流体に混合されたパージガスは：
前記混合流体の強化された流動性により、前記混合流体が外部から前記光加工用ノズルへのスムーズな移動に寄与するものであり、
前記粉体が光加工される際に必要な熱耐性を、前記混合流体に与えるものである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光加工用ノズル。
【請求項６】
前記二重管構造は、互いに同心で二重の、内側円管とその外側円管とを有し、
前記内側円管が前記少なくとも２つの混合流体吐出管として機能し、前記外側円管が前記パージガス吐出管として機能するため、
前記二重管構造は、
前記混合流体を吸入する第１一重管路部分と、
前記混合流体について、前記粉体とパージガスとを分離するための前処理を行うために前記混合流体の内部圧力を第１圧力に至るまで徐々に上昇させ、前記第１圧力を所定時間維持し、その後に徐々に圧力低下を行うために、管路の内径が変化する第２一重管路部分と、
を備え、
前記第２一重管路部分が、前記内側円管と前記外側円管とに接続されており、前記内側円管には分離された前記粉体が抽出されて流れ、前記外側円管には分離されたパージガスが抽出されて流れる請求項５に記載の光加工用ノズル。
【請求項７】
前記第２一重管路部分は、
管の内径が前記第１一重管路部分よりも徐々に細くなる第１一重円管部分と、
管の内径が一定で所定長さを有する第２一重円管部分と、
管の内径が徐々に太くなる第３一重円管部分と、
を有する請求項６に記載の光加工用ノズル。
【請求項８】
前記第１一重円管部分の単位長さあたりの管径の減少率は、前記第３一重円管部分の単位長さあたりの管径の増大率よりも小さい請求項７に記載の光加工用ノズル。
【請求項９】
前記第２一重円管部分の所定の長さは、内部を流れる前記粉体の移動速度が、実質的に全ての粉体部分について略一定となって安定する長さである請求項７または８に記載の光加工用ノズル。
【請求項１０】
前記二重管構造の前記内側円管および前記外側円管の径は、前記内側円管から吐出される分離抽出された前記粉体の流速と、前記外側円管から吐出される分離抽出されたパージガスの流速とが等しくなるように決定される請求項６乃至９のいずれか１項に記載の光加工用ノズル。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光加工用ノズルを用いた光加工装置。
【請求項１２】
さらに材料収容部とパージガス収納部とを有し、
前記パージガスと前記粉体とを混合した混合流体とパージガスとを独立に前記光加工用ノズルに送るパイプ系を有する請求項１１に記載の光加工装置。
【請求項１３】
さらに材料収容部とパージガス収納部とを有し、
前記パージガスと前記粉体とを混合した混合流体を前記光加工用ノズルに送るパイプ系を有する請求項１１に記載の光加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、加工面に光を照射し、その照射部に加工材料を含む粉体を噴射し、この粉体を溶融して造形する光加工装置に関する。詳細には、加工材料の酸化を防止するために同装置に用いられて、パージガスなどの流路を適正に制御する光加工用ノズルの内部構造の改良、さらには、そのノズルに用いられるノズル部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野において、特許文献１では光加工用ノズルを用いて造形物に不活性ガスを噴射する光加工装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７２２３９３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記文献に記載の技術では、光加工用ノズルから流体を射出した際に、外部大気を巻き込み、大気中の酸素によって造形物を劣化させることが課題となっている。したがって、外部大気の巻き込みの改善が望まれていた。
特に、大気中の酸素による造形物の酸化を防ぐために、光加工用ノズルの光路近傍に光路に沿っていわゆるパージガスを吐出することも従来行われているが、このパージガス自体が外部大気を巻き込むことを発明者達は見出した。
本発明の目的は、周辺雰囲気の巻き込みが有効に防止される光加工用ノズル、そのノズルを具備する光加工装置を提供することにある。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工用ノズルは、
加工面に集光点を形成する光学系と、
加工材料としての粉体にパージガスを混合した混合流体を前記加工面に向けて吐出する少なくとも２つの混合流体吐出管と、
パージ機能を有するパージガスを前記加工面に向けて吐出する少なくとも２つのパージガス吐出管と、
を備えた光加工用ノズルであって、
前記少なくとも２つの混合流体吐出管のそれぞれは、前記少なくとも２つのパージガス吐出管の内部に配置され、全体として二重管構造であって、
前記混合流体の吐出と前記パージガスの吐出とを略同時に行うことができ、
前記少なくとも２つの混合流体吐出管の吐出口は、それぞれ前記光学系の光線経路に対して回転対称に配置され、
前記少なくとも２つのパージガス吐出管の吐出口から吐出される前記パージガスが、前記少なくとも２つの混合流体吐出管の吐出口から吐出される前記混合流体をシールドして保護するように、前記少なくとも２つのパージガス吐出管が配置された。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、上記光加工用ノズルを用いた光加工装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、造形物の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の光加工用ノズルが適用された光加工装置の実施形態としてのシステム構成を説明する図である。
【図２】本発明の光加工用ノズルと、光加工装置側とのインターフェース、特に、粉体状加工材料やパージガスの光加工用ノズルへの供給のためのインターフェースを説明する図である。
【図３】本発明の第１実施形態としての光加工用ノズルの、“ａ”グループ乃至“ｃ”グループの混合流体吐出管の配置を説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態としての光加工用ノズルの外形を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施形態としての光加工用ノズルの内部構造を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態としての光加工用ノズルの、ａ”グループ乃至“ｃ”グループの混合流体吐出管の配置を説明する図である。
【図７】本発明の第２実施形態としての光加工用ノズルに用いられる混合流体吐出管の構成を説明する図である。
【図８】本発明の第２実施形態としての光加工用ノズルに用いられる混合流体吐出管の内部構造に関して、特に、ＰＭ混合流体が、粉体状加工材料とパージガスとに分離抽出される原理を説明する図である。
【図９】本発明の第２実施形態の混合流体吐出管において、吐出部における乱流発生を効果的に抑制する条件を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
【００１１】
本発明の特長的構成は光加工に用いる「光加工用ノズル」にある。まず、本発明の光加工用ノズル１３０を採用した光加工装置を説明し、その後に、第１実施形態の光加工用ノズル３３０、さらに第２実施形態の光加工用ノズル６３０を説明する。
【００１２】
［光加工装置］
本発明を適用した実施形態としての光加工装置について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る光加工装置１００の全体構成の概要を説明する図である。
【００１３】
≪装置構成≫
図１に示すように、光加工装置１００は、主な構成要素として、光源１４０と、光加工ヘッド１１０と、観察光学系１６１と、ステージ１８０と、材料収容部１７０とを含む。
【００１４】
光源１４０は、造形物１８１の造形用の光線を発生する。光源１４０としては、レーザ光源を用いることができるが、これには限定されず、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。なお、造形物１８１の材料である粉体状加工材料の溶融に用いる光線はレーザ光に限られず、加工点で粉体状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光線であってもよい。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光線であってもよい。
【００１５】
光伝送部１４１は、光源１４０で発生した光線（例えばレーザ光）を伝送する。光伝送部１４１は、例えば、コア径がφ０．０１〜１ｍｍの光ファイバであり、光源１４０で発生した光線を光加工ヘッド１１０に誘導する。光加工ヘッド１１０は、集光光学系１２０と光加工用ノズル１３０とを含んで構成される。
【００１６】
集光光学系１２０は、光線としてのレーザ光を集束させる集束レンズを内部に備える。そして、光加工ヘッド１１０は、集光光学系１２０の集束部の下流側に光加工用ノズル１３０が取り付けられて構成されている。光加工ヘッド１１０に供給されたレーザ光は、集光光学系１２０の内部に設けられたレンズ等からなる光学系(例えば図2のレンズ)を介することで、加工面１８２において集光するように調整されており、光加工用ノズル１３０内部を経て加工面１８２に照射される。レーザ光の集光位置は、集光光学系１２０のレンズ間隔などを変更することで、変えることができる。
【００１７】
材料収容部１７０は、光加工ヘッド１１０の光加工用ノズル１３０に対し、キャリアガスが混合されることにより流動性が高められた粉体状加工材料を、材料供給パイプ１７１を介して供給する。粉体状加工材料は、例えば、金属粒子や樹脂粒子などの粒子である。キャリアガス自体は、不活性ガスであり、例えば、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどでよい。
【００１８】
材料供給パイプ１７１は、例えば、樹脂または金属のホースであり、キャリアガスに粉体状加工材料を混入させた粉体流を光加工ヘッド１１０の光加工用ノズル１３０へと導く。
【００１９】
制御部１５０は、造形物の造形幅を調整するため、細書きまたは太書き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１４０からのレーザ光の出力値を変更すると共に、光加工用ノズル１３０の外側筐体をスライドさせる。これにより、光加工用ノズル１３０から射出される粉体状加工材料による粉体スポット径を加工点１８３の径に応じて制御する。
【００２０】
また、光加工ヘッド１１０には観察光学系１６１が取り付けられている。観察光学系１６１に誘導された観察用光線をディプレイなどの表示部１６０に表示することで、ユーザは、加工面１８２などの状態を観察することができる。
【００２１】
加工面１８２からの輻射光を含む観察用光線は、光加工用ノズル１３０内を逆走して集光光学系１２０へと到達する。集光光学系１２０に到達した観察用光線は、集光光学系１２０内に設けられた光学系により観察光学系１６１へと誘導される。そして、加工面１８２の映像が表示部１６０に表示される。なお、観察用光線には、環境光が含まれる。環境光は、光加工装置１００の設置されている場所の照明光などが含まれるが、これには限定されない。光加工ヘッド１１０外部に観察用光線用の光源を別途設けて、この光源から発生した観察用光線を環境光としてもよい。これに対して、例えば、光源１４０から発生した加工用光線の反射光を観察用光線としてもよい。
【００２２】
≪材料収容部≫
図２を参照して、材料収容部１７０と光加工用ノズル１３０との連係動作を説明する。
【００２３】
図２において、材料収容部１７０の内部には、溶融材料粉末の収納部と不活性ガスを収納するボンベ２７１と、ボンベからの不活性ガスと溶融材料粉末２７２とを混合する混合器２７３とを具備する。混合器２７３からの出力ガスは、光加工のための材料としての粉体状加工材料と不活性ガスとの混合物である。この不活性ガスの目的は、光線を照射する領域、即ち加工点１８３に供給されることにより、この領域での粉体状加工材料の酸化を防止するためである。光加工装置１００では、この不活性ガスは、粉体状加工材料に混合されることにより、粉体状加工材料に流動性を与え、粉体状加工材料がパイプ２７１Ｍを通って光加工用ノズル１３０に供給されるのを容易にする。
【００２４】
また、本実施形態の光加工装置１００では、不活性ガスは、光加工用ノズル１３０内において、酸素を含む外部雰囲気を吹き飛ばすために、また、外部雰囲気が粉体状加工材料に近づくのを邪魔するシールドとしての機能を持たすことも行う。本実施形態の光加工装置１００では、不活性ガスは：
【００２５】
（Ｉ)粉体を運ぶ「キャリアガス」として、
（II）大気を吹き飛ばす「パージガス」として、
（III）大気を遠ざける「シールドガス」として、
（IV）酸化防止を図る「不活性ガス」など、
と呼ばれる。本明細書では、便宜を図るために、呼称は「パージガス」または「Ｐガス」で統一し、(Ｉ)乃至(IV)などの「機能」はパージガスの前に機能を表現する言葉で補うこととする。
【００２６】
混合器２７３からの出力でパイプ２７１Ｐを通るガス流は、粉体状加工材料（Ｍ）にパージ（Ｐ）ガスを混合したものであるから、本明細書では「ＰＭ混合流体」または「材料・パージガス混合流体」と呼ぶ。
【００２７】
したがって、図２において、パイプ２７１Ｍの内部にはＰＭ混合流体が流れ、このＰＭ混合流体が光加工用ノズル１３０の分配器２３１に送られる。
この分配器２３１は、光加工用ノズル１３０内の複数の混合流体吐出管の夫々に、パイプ２７１ＭからのＰＭ混合流体を分配する装置である。分配器２３１は、機敏な動作を要求される光加工用ノズル１３０に設けられていることから、分岐パイプの集合からなる。
【００２８】
また、後述するように、本実施形態に係る光加工用ノズルでは、混合流体吐出管は３本もしくは３グループの吐出管を用いている。分配器２３１の下部には、分配器２３１の下側に設けられている混合流体吐出管の夫々に、パージガスやＰＭ混合流体などを供給するパイプを通す開口部(２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ)が設けられている。
【００２９】
本発明の光加工用ノズル１３０の具体的なノズル吐出管の構成、配置、については、第１実施形態のノズル、第２実施形態ノズルの説明のところで詳細に説明する。      
【００３０】
本発明の２つの実施形態、特に第１の実施形態のノズル３３０では、ボンベ２７１からのパイプ２７１Ｐにはパージガスが流れ、このガスも光加工用ノズル１３０内の分配器２３１に送られる。
図２に示すように、光加工用ノズル１３０内では、パイプ２７１Ｐは、ノズル周辺部に位置する分岐パイプ２７１Ｐ−Ｐと、ノズル内中央に位置する分岐パイプ２７１Ｐ−Ｃの２本のパイプ群がある。本実施形態の光加工用ノズル１３０、特に第１実施形態の光加工用ノズル３３０が、パージガスを必要とするのは、後述するように、分岐パイプ２７１Ｐ−Ｐからのパージガスをノズル吐出管近傍に吐出させて、このパージガスに、材料・パージガス混合流体を外部雰囲気からシールドさせる機能を負わせるためである。また、分岐パイプ２７１Ｐ−Ｃからのパージガスに光加工用ノズル１３０内の光線光路近傍に対流しやすい外部雰囲気をノズル外に追い出すためである。
【００３１】
≪光加工装置の動作≫
次に、光加工装置１００の動作について説明する。造形物１８１は、ステージ１８０上で造形される。光加工ヘッド１１０から射出される射出光（加工用光線）は、造形物１８１上の加工面１８２において集光される。加工面１８２は、集光によって昇温され、溶融され、加工面１８２の一部に加工点１８３を形成する。
【００３２】
粉体状加工材料は、光加工用ノズル１３０から加工面１８２上の加工点１８３へと噴射される。そして、噴射された粉体状加工材料は、加工点１８３に溶け込む。その後、加工点１８３が冷却され、固化することで加工面１８２に粉体状加工材料が堆積され、３次元造形が実現される。
【００３３】
「不活性ガス」または「キャリアガス」もしくは「パージガス」もしくは「パージ・シールドガス」と呼び習わされているガスとしては、ヘリウム、アルゴン、窒素などでよい。
【００３４】
光加工用ノズル１３０の具体的な構成例である、第１実施形態の光加工用ノズル３３０の構成ならびに動作について図３，図４，図５を用いて、説明する。
【００３５】
≪光加工用ノズル３３０の構成と動作≫…第１実施形態
図３は第１実施形態に係る光加工用ノズル３３０に用いられる３グループのノズル吐出管と、夫々のノズル吐出管グループ(ａ、ｂ、ｃ)に対応する分配器２３１の３つのパイプ取り出し用開口部 (２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ)との対応を示す。
【００３６】
本発明が適用される光加工用ノズル３３０は、光ビームの周りに可能な限り均等な材料・パージガス混合流体の粉体流が吐出されるように、少なくとも２グループの混合流体吐出管が必要である。本明細書では、グループ数の例示として、３グループの混合流体吐出管が使用されている。
【００３７】
第１実施形態の光加工用ノズル３３０の外観は図３に、混合流体吐出管の構成は図４に示される。混合流体吐出管の内部破断図は図５に示される。
【００３８】
図３に示すように、第１実施形態の光加工用ノズル３３０は、３本(あるいは３組)のノズル吐出管を用いるために、“ａ”〜“ｃ”の文字を便宜的に付した３つの領域に分割されている。
【００３９】
第１実施形態の光加工用ノズル３３０に用いられている「１組」のノズル吐出管は、例えば、ａグループでは、ＰＭ混合流体をパイプ２７１Ｍから受けて、この混合流体を加工点に向けて吐出する混合流体吐出管３１１ａと、パージガスをパイプ２７１Ｐ−Ｐから受けて、このパージガスを加工点に向けて吐出するパージガス吐出管３１２ａとからなる。混合流体吐出管３１１ａは、光線の集光点である加工点１８３の近傍に材料・パージガス混合流体を吐出するために、吐出口３５０ａを有する。パージガスを吐出するパージガス吐出管３１２ａは、その吐出口３６０ａを、材料・パージガス混合流体の吐出口３５０ａよりも上方の位置に有する。
【００４０】
光加工用ノズル３３０に用いられている「１組」のノズル吐出管は、例えば、ｂグループでは、ＰＭ混合流体をパイプ２７１Ｍから受けて、この混合流体を加工点１８３に向けて吐出する混合流体吐出管３１１ｂと、パージガスをパイプ２７１Ｐ−Ｐから受けて、このパージガスを加工点に向けて吐出するパージガス吐出管３１２ｂとからなる。混合流体吐出３１１ｂは、光線の集光点である加工点１８３の近傍に材料・パージガス混合流体を吐出するために、吐出口３５０ｂを有する。パージガスを吐出するパージガス吐出管３６０ｂは、その吐出口３６０ｂを、材料・パージガス混合流体の吐出口３５０ｂよりも上方の位置に有する。
【００４１】
ｃグループの「１組」のノズル吐出管についても同様である。さらに、図３に示されているように、第１実施形態の光加工用ノズル３３０には、材料収容部１７０から分岐パイプ２７１Ｐ−Ｃを介して受けたパージガスを吐出する吐出管(図３の２７１Ｐ−Ｃ)が設けられ、その吐出管の先端口は光加工用ノズル３３０の中心に近い位置に設けられている。吐出管２７１Ｐ−Ｃは、このために、光加工用ノズル３３０の中心軸に沿って進行する加工光線の光軸に沿った方向のパージガスを吐出する。
【００４２】
一方、材料・パージガス混合流体を吹き出す３本の混合流体吐出管の吐出口(３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃ)は、上記レーザ光線の経路である光軸に直交して光軸をぐるりと囲む。したがって、３本の混合流体吐出管の吐出口(３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃ)から吹き出される材料・パージガス混合流体の粉体流は、略環状を成して光線の光軸を囲むことになって、光線の軸周りに外部雰囲気を閉じ込めようとするが、この閉じ込められやすい外部雰囲気は、ノズル中心軸に沿って吐出管２７１Ｐ−Ｃから流されるパージガスによって、レーザ光路近傍の空間から追い出される。
【００４３】
そして、３本のパージガス吐出管３１２ａ乃至３１２ｃもまた、レーザ光線の光軸を囲むこととなり、さらに、混合流体吐出管(３１１ａ乃至３１１ｃ)の外側、かつ、上方に位置することとなって、混合流体吐出管（３１１ａ乃至３１１ｃ）は、上記レーザ光線の経路である光軸に直交して光軸をぐるりと囲む。さらに、パージガス用の３本のパージガス吐出管３１２ａ乃至３１２ｃの向きは、図４に明示されているように、混合流体吐出管(３１１ａ乃至３１１ｃ)の方向と交わることはなく、かつ、混合流体吐出管(３１１ａ乃至３１１ｃ)の方向線分を遮るように配置されている。これらの理由により、パージガス吐出管(３１２ａ乃至３１２ｃ)を取り囲むものとなる。
【００４４】
即ち、混合流体吐出管(３１１ａおよび３１１ｂ)から吹き出される、粉体状加工材料は、光軸中心線に沿ってパージガス吐出管２７１Ｐ−Ｃから吐出されるパージガスの層と、混合流体吐出管(３１１ａおよび３１１ｂ)と交わらずにかつこれらの外側においてパージガスを吐出する３本のパージガス吐出管(３１２ａ乃至３１２ｃ)からのパージガスによって、丁度、サンドイッチされた状態になる。または、サンドイッチ状態というよりは、パージガス吐出管(３１２ａ乃至３１２ｃ)からのパージガスは、混合流体吐出管３１１ａ乃至３１１ｃからの粉体状加工材料に対して、外部雰囲気に対するシールド層もしくは保護層を形成して、粉体状加工材料の酸化を効果的に防止することができる。
【００４５】
第１実施形態の光加工用ノズル３３０には、１組２本の、材料・パージガス混合流体吐出用の混合流体吐出管(３１１ａ乃至３１１ｃ)が３組(または３グループ)設けられているが、この組数(グループ数)には格別の制限はない。混合流体吐出管が、光線経路に対して回転対称に配置され、少なくとも２つ以上の混合流体吐出管を備えるものであればよい。また、パージガス吐出管のグループ(３１２ａ乃至３１２ｃ)の射出口の近傍に、それに対応する混合流体吐出管(３１１ａ乃至３１１ｃ)の射出口をそれぞれ備える。ここで、回転対称とは、対象物を回転対称軸まわりに回転させたとき、回転角が３６０度未満でもとの形状に一致することを意味する。
【００４６】
≪光加工用ノズル６３０の構成と動作≫…第２実施形態
第１実施形態の光加工用ノズルのパージガスから構成される「シールド」層は、材料収容部から、ＰＭ混合流体(パイプ２７１Ｍ)とは別ルート（２７１Ｐ）で供給されて、混合流体吐出管(３１１ａ乃至３１１ｃ)により吐出されて形成されたものである。
【００４７】
第２実施形態の光加工用ノズル６３０は、パージガス単体を材料収容部１７０から独自に供給を受けていなくても、パージガスによるシールド層を形成することができる点に特徴がある。即ち、第２実施形態では、特殊な構造(二重管構造)のノズル吐出管を用いて、パージガスと粉体状加工材料の混合流体から、パージガス(不活性ガス)と粉体状加工材料とを分離して、しかも、分離されるパージガス(不活性ガス)は外側の管に、粉体状加工材料は内側の管に分離されることにより、内側の粉体状加工材料が、外側のパージガス層によって「自動的に」シールドされるというものである。
【００４８】
第２実施形態に係る光加工用ノズル６３０について、図６乃至図９を用いて説明する。
【００４９】
図６は、第２実施形態に係る光加工用ノズル６３０に用いられる３グループのノズル管と、夫々のグループのノズル管に対応する分配器２３１内のグループとの対応を示す。図７は、第２実施形態に係る光加工用ノズル６３０が備える二重構造吐出管６００の概略斜視図である。図７の二重構造吐出管６００を３本用いて、光加工用ノズル６３０内に図６のように回転対称に配置する。
【００５０】
第２実施形態の二重構造吐出管６００は、図７の吸入部７３４から、パージガスと粉体状加工材料の混合物であるＰＭ混合流体を供給する。このＰＭ混合流体は、第１実施形態と同じように、材料収容部１７０からパイプ２７１Ｍを介して供給されるものである(図６参照)。
【００５１】
図８は、第２実施形態としての光加工用ノズル６３０に用いられる混合流体吐出管６００の内部構造に関して、特に、ＰＭ混合流体が、粉体状加工材料とパージガスとに分離抽出される原理を説明する図である。一体の材料・パージガス混合流体が吸入される吸入部７３４は、一重構造である。吸入部７３４の内径は一定である。吸入部７３４に続く狭隘部７３３は、内径が徐々に小さくなっていく内径縮み込み部８３５に入り、さらに、断面積の狭さが狭いままで一定の狭隘部７３３に進む。内径縮み込み部８３５の内径を「徐々に狭く」する理由は、内部の流体の流れに無用な乱流を発生させないためである。
【００５２】
狭さが一定の狭隘部７３３の内径が、狭隘部７３３内の流体速度を決定する。狭隘部７３３の半径は、吸入部７３４のそれよりも小さいので、材料・パージガス混合流体の狭隘部７３３での管内進行速度８４４は、吸入部７３４のそれよりも高い。
【００５３】
狭隘部７３３では流速は高いので、ＰＭガス流体中の、質量の大きな粉体状加工材料は速度も高くなっているので、材料・パージガス混合流体の粉体流の運動量は、質量が小さなパージガスの運動量よりも圧倒的に大きい。換言すれば、狭隘部７３３では、粉体状加工材料の慣性はパージガスの慣性よりも圧倒的に大きい。また、狭隘部７３３は、所定の狭い半径で所与の長さに設定されているので、狭隘部７３３の終点近くでは、材料・パージガス混合流体中の粉体状加工材料の進行速度は、減速運動ではなく、遅くとも高速の等速運動あるいは加速運動をしているであろう。
【００５４】
このように、進行速度は同じである粉体状加工材料とパージガス分子とが、慣性に関しては、粉体状加工材料が圧倒的に大きな慣性を有している状態で、やがて、内径が急激に拡がる内径拡張部８４３に到達する。
【００５５】
内径拡張部８４３では、圧力は、管内中心軸上が圧力で最も高く圧力変化は少なく、この傾向は、周辺に行けばいくほど圧力変化は大きい。即ち、この圧力変化は、粉体状加工材料やパージガスを中心軸から外れる方向に導く力を粉体状加工材料やパージガス分子に加える。
【００５６】
この時点で、高速直進運動を行って大きな慣性を有する粉体状加工材料は、内径拡張部８４３に到達しても、大きな慣性を有しているので、運動量を保存しようとするために、まっすぐに進もうとし、反対に、パージガス分子は周囲方向に追いやられる。こうして、粉体状加工材料は直進運動を継続し続け、パージガス分子は管路の周辺に移動しようとする運動の変化が内径拡張部８４３で観測される。
【００５７】
換言すれば、材料・パージガス混合流体が内径拡張部８４３を抜ける頃には、流路の中心軸周辺では粉体状加工材料だけが、管路の内壁周辺ではパージガス分子のみが集合している。即ち、材料・パージガス混合流体から、パージガスが粉体状加工材料から分離されたことになる。
【００５８】
この分離状態は、材料・パージガス混合流体が、二重管部分８４５に至ったときに、二重管のうちの内側管の管壁によって分離状態は固定化される。即ち、粉体状加工材料の粒子は二重管のうちの内側流路８４１内に、パージガス分子は外側流路８４２内に固定化される。外側流路８４２中のパージガス分子が、内側流路８４１内の材料・パージガス混合流体の粉体流の中に戻ることは無い。
【００５９】
第２実施形態の光加工用ノズル６３０の優れている点は、材料・パージガス混合流体の粉体流が、粉体流の速度方向も、速度に直交する面方向でも、３６０度の全ての方向で、パージガスもしくは不活性ガスによってシールドされているということである。
【００６０】
第１実施形態では、材料・パージガス混合流体の粉体流を供給する混合流体吐出管に対する、シールドとしてのパージガスを供給するパージガス吐出管の数によって、粉体状加工材料の酸化・劣化の程度は左右される。パージガスを供給するパージガス吐出管が設けられていないところでは、パージガスによるシールド効果を期待できないからである。
【００６１】
反面、第２実施形態のノズル管では、ＰＭ混合流体は、進行方向に包囲する３６０度に亘って、パージガスによるシールド効果が期待できるからである。
【００６２】
≪第２実施形態の変形例≫
図９に、第２実施形態のＰＭ混合流体吐出管６００の二重管部分８４５の拡大図を示す。この二重管部分は、内側流路８４１と、外側流路８４２とからなる。内側流路８４１の内径をΦ１、外径をΦ２、分離されたパージガスがシールドとして動作することが期待される外側流路８４２の内径をΦ３とする。
【００６３】
第２実施形態の吐出管６００が、材料・パージガス混合流体から、パージガスを粉体状加工材料から分離精度が高い状態で分離するためには、内側流路８４１を流れる材料・パージガス混合流体の粉体流の単位時間当たりの体積と、外側流路８４２を流れるパージガスの単位時間当たりの体積とが同量であれば、ＰＭ混合流体が、第２実施形態の二重構造吐出管６００に流入し、流出しても、運動量は保存されているので、分離されたパージガスのガス流と粉体状加工材料の粉体流とは、二重構造吐出管６００を出たところで乱流を発生させない。換言すれば、粉体単独の吐出管の射出速度と、パージガス単独の射出速度が同一になれば、乱流は発生せず、従って、パージガスと粉体状加工材料の粉体流の速度が同一となるように、半径φ１乃至φ３を調整すればよい。これは、パージガスの外側流路８４２の断面積と、粉体流の内側流路８４１の断面積を同一にすることと、同等となる。このときの条件は、
【００６４】
【数１】
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と表せる。この条件を満足するように、二重構造吐出管６００を設計すれば、乱流も発生せずに、粉体状加工材料の酸化防止が最適に制御できることになる。
【００６５】
上記実施形態では、粉体状加工材料とパージガスを混合した材料・パージガス混合流体は、材料収容部１７０で製造していたが、ノズル側で作成してもよい。この場合、粉体状加工材料とパージガスの混合流体を作成するのに要するハードウェアをノズルに持ち込むときのヘッドの重量増加や、キャリアガス抜きで粉体をノズルヘッドに送るときの抵抗増加などを考慮要因とすればよい。
【００６６】
［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。
【００６７】
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。
【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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